DE1909109A1 - Nuclear reactor with a regulation of the reactivity and power distribution over burnable reactor poisons - Google Patents

Nuclear reactor with a regulation of the reactivity and power distribution over burnable reactor poisons

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Description

PatentanwaltPatent attorney

Dr. Erhart ZieglerDr. Erhart Ziegler

6238 Hofheirn/Ts.6238 Hofheirn / Ts.

Nachtigallenweg VNightingale Path V

691 ( 24D 934 - i'lscher ) Ger.er-.l Electric Company, 1 niver ueaa, Dcnenectady, u.i., UoA691 (24D 934-i'lscher) Ger.er-.l Electric Company, 1 niver ueaa, Dcnenectady, ui, UoA

Kernreaktor mit einer Regelung der Reaktivität und Leistungsverteilung über abbrennbare Reaktorgifte, Nuclear reactor with a control of reactivity and power distribution via burnable reactor poisons,

Es ist allgemein bekannt," daß bei der Kernspaltung: große Energiemengen frei werden. Wenn ein spaltbares Isotop wie U-235 ein neutron einfängt, zerfällt der Kern des Isotops. Dabei entstehen im Mittel zwei Spaltprodukte mit geringerem Atomgewichts jedoch hoher kinetischer Energie, sowie mehrere hochenergetische neutronen. Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird im Kernbrennstoff sehr rasch in Wärme umgesetzt. Diese Wärme kann aurch ein Kühlmittel abgeführt werden, das mit dem Kernbrennstoff im Wärmeaustausch steht, und anschließend kann man die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme in Nutzarbeit umsetzen.It is well known "that in fission: large amounts of energy get free. When a fissile isotope like U-235 captures a neutron, the isotope's nucleus decays. This creates on average two fission products with a lower atomic weight but high kinetic energy, as well as several high-energy neutrons. The kinetic energy of the fission products is im Nuclear fuel very quickly converted into heat. This heat can be dissipated by a coolant that comes with the nuclear fuel is in heat exchange, and then the heat absorbed by the coolant can be converted into useful work.

Wenn ein Kernreaktor mit einer konstanten Leistungsabgabe, also in einem Gleichgewichtszustand betrieben werden soll, muß die .besetzungsdichte derjenigen Neutronen konstant bleiben, die Spaltungen auslösen. Bei jeder Kernspaltung muß also 1 Neutron übrig bleiben, das eine nachfolgende Spaltung auslöst, so daß eine Kettenreaktion zu Stande kommt, die sich selbst unterhalt. Damit in einem nuklearen System der Gleichgewichtszustand erhalten bleibt, muß der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor kefi> gleich 1 sein, und dann sagt man, !'das Sytem sei gerade kritisch'1, Der Heutronenmultiplikationsfaktor k ~f ist definiert als dasIf a nuclear reactor is to be operated with a constant power output, i.e. in a state of equilibrium, the occupation density of those neutrons that trigger fission must remain constant. With every nuclear fission, 1 neutron must remain, which triggers a subsequent fission, so that a chain reaction occurs that is self-sustaining. In order for the equilibrium state to be maintained in a nuclear system, the effective neutron multiplication factor k efi> must be equal to 1, and then one says ,! 'Let the system be critical' 1 , The neutron multiplication factor k ~ f is defined as that

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Verhältnis der Neutronenbesetzungsdichte zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Neutronenbesetzungsdichte zu einem Zeitpunkt, der eine Neutronenlebensdauer früher liegt.Ratio of neutron population density to a certain one Point in time at the neutron occupation density at a point in time which is one neutron lifetime earlier.

( Der effektive weutronenmultiplikationsfaktor k f.f ist der Neutronenreproduktionsfakt or, wenn man den Kernreaktor als Ganzes betrachtet. Dieser effektive Neutronenmultiplikationsfaktor muß von dem ortlichen oder infinitesimalen Neutronenmultiplikationsfaktor küa unterschieden werden, der die Neutronenreproduktion in einem unendlich, großen System definiert, aas die gleiche Zusammensetzung und die gleichen Eigenschaften wie die eng begrenzte, gerade interessierende Stelle im Reaktorkern aufweist).(The effective neutron multiplication factor k f . F is the neutron reproduction factor if one considers the nuclear reactor as a whole. This effective neutron multiplication factor must be distinguished from the local or infinitesimal neutron multiplication factor küa, which defines the neutron reproduction in an infinitely large system, which has the same composition and has the same properties as the narrowly delimited point of interest in the reactor core).

Die Nennleistung" eines Kernreaktors hängt von der Größe des Reaktorkerns und von der Leistungsfänigkeit des Kühlsystems ab. Praktisch ist nun die Leistungsdichte in einem Kernreaktor häufig durch die unzureichenden thermischen Eigenschaften der verwendeten Materialien beschränkt.The power rating "of a nuclear reactor depends on the size of the reactor core and on the efficiency of the cooling system. Practically is now the power density in a nuclear reactor often due to the inadequate thermal properties of the used Materials limited.

rtienn nun die Kettenreaktion im Kernreaktor aufrecht erhalten ifird, verarmt der Kernbrennstoff. Dieses bedeutet, daß die Anzahl der spaltbaren Kerne abnimmt. . Zusätzlich sind einige der entstehenden Spaltprodukte Neutronenabsorber oder "Reaktorgifte1·. venn man also mit einem Kernreaktor über eine vernünftige Zeitspanne hinweg Energie erzeugen will, muß man dafür sorgen, daßIf the chain reaction in the nuclear reactor is maintained, the nuclear fuel becomes impoverished. This means that the number of fissile cores decreases. . In addition, some will produce the elimination products produced neutron absorber or "reactor poisons 1 ·. So you venn with a nuclear reactor over a reasonable period of time energy, one must ensure that

u Beginn ein gewisser Überschuß an Kernbrennstoff vorhanden ist, der auf eine anfängliche Überschußreaktivität führt» Diese Über-u at the beginning there is a certain excess of nuclear fuel, which leads to an initial excess reactivity »This excess

chußreaktivität kann als derjenige Betrag definiert werden, um den der Multiplikationsfaktor des ungeregelten Reaktor den Betrag von 1 übersteigt.Negative reactivity can be defined as the amount to which the multiplication factor of the unregulated reactor the amount of 1 exceeds.

Diese, durch den Überschuß an Kernbrennstoff verursachte Über-This excess caused by the surplus of nuclear fuel

chußreaktivität erfordert ein Regel- oder Steuersystem von einer Regelstärke, die ausreicht, um während des Reaktorbetriebes den effektiven Multiplikationsfaktor auf "l"" zu halten und um diesen B'aktor auf einen wert unter "I'- abzusenken., wenn der ReaktorShort reactivity requires a regulating or control system of a regulating strength which is sufficient to keep the effective multiplication factor at "l""during reactor operation and to lower this factor to a value below" I " when the reactor

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stillgelegt werden muß. Üblicherweise enthält das Steuer- oder regelsystem Neutronenabsorber oder Reaktorgifte, mit denen die ieutronenbesetzungdichte im Reaktor geregelt oder gesteuert werden kann, und somit ist auch eine Steuerung oder Regelung der \eaktivität des Reaktors möglich. Dieses beruht auf dem Heutroneneinfang durch Vorgänge, die nicht zu Kernspaltungen führen. )ie Stoffe zum Steuern oder Regeln eines Reaktors können in verschiedenen Formen verwendet werden. Es ist üblich, das Steueroder Regelsystem mechanisch auszuführen und mit einer Anzahl von Steuer- oder Regelstäben auszurüsten, die einzeln in den kernreaktor eingefahren oder herausgezogen werden können, um einnal den Leistungspegels des Reaktors und die Leistungsverteilung im neaktor zu steuern oder zu regeln und um zum Anderen den Reaktor abschalten zu können. Zusätzlich ist bereits vorgeschlagen -/orden, zur Steuerung aer Überschußreaktivität eines Kernreaktors abbrennbare Reaktorgifte der verschiedensten Arten und in den verschiedensten Formen zu verwenden. Ein abbrennbares Reaktorgift ist ein Neutronenabsorber, dessen Regelstärke ( das heißt in diesem Falle : dessen i-ieutroneneinfanp-jquerschnitt) in Abhängigkeit mit der Zeit abnimmt, wenn er der Bestrahlung durch einen ^eutronenfluß ausgesetzt ist.must be shut down. Usually this contains the tax or control system neutron absorbers or reactor poisons with which the The neutron occupation density in the reactor can be regulated or controlled, and thus also a control or regulation of the Activity of the reactor possible. This is based on the heutron capture by processes that do not lead to nuclear fission. ) The substances for controlling or regulating a reactor can be in different Shapes are used. It is common for the control system to be made mechanical and with a number to equip control or regulation rods, which can be individually retracted or pulled out of the nuclear reactor in order to achieve a single to control or regulate the power level of the reactor and the power distribution in the reactor and, on the other hand, to control the reactor to be able to switch off. In addition, it has already been proposed - / orden to control aer excess reactivity of a nuclear reactor to use burnable reactor poisons of the most varied types and in the most varied of forms. A burnable reactor poison is a neutron absorber whose regular strength (that is to say in this case: its neutron infanp cross section) as a function of decreases with time when exposed to radiation from a neutron flux.

uurch die Verwendung von abbrennoaren Reaktorgiften kann der umfang der mechanischen Regelung eines Reaktors auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, und es ist schon seit langer Zeit erkannt worden, daß abbrennbare Reaktorgifte die Möglichkeit eröffnen könnten, die Überschußreaktivität automatisch zu steuern oder zu regeln, sofern die Abnahme der Überschußreaktivität während der Leistungserzeugung in einem Reaktor mit der Abnahme der Regelstärke der abbrennbaren Reaktorgifte in Einklang gebracht werden kann. Außerdem kann durch eine passenae Verteilung der Reaktorgifte im Reaktorkern die Leistungsverteilung innerhalb des Kernes verbessert werden.u Through the use of combustible reactor poisons, the scope can The mechanical control of a reactor can be minimized, and it has long been recognized that burnable reactor poisons could open up the possibility of automatically controlling the excess reactivity or to regulate, provided the decrease in excess reactivity during power generation in a reactor with the decrease the regular strength of the burnable reactor poisons can be reconciled. In addition, through a matching distribution the reactor poisons in the reactor core the power distribution within of the core can be improved.

Die Verwendung abbrennbarer Reaktorgifte ist in der bisher bekannten Literatur bereits erörtert worden. In diesem ZusammenhangThe use of burnable reactor poisons is previously known Literature has already been discussed. In this context

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sei beispielsweise auf den Aufsatz von A. Radkowsky verwiesen, der unter dem Titel "Theory and Application of Burnable Poisons" in der öffentlichen Druckschrift "Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Band 13, Seiten 426 bis 445, Verlag Vereinte Nationen, Genf, 1958, erschienen ist.see, for example, the article by A. Radkowsky, entitled "Theory and Application of Burnable Poisons" in the public pamphlet "Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Volume 13, Pages 426 to 445, United Nations Publishing House, Geneva, 1958.

Bei einem bekannten Kernreaktor ist der Reaktorkern heterogen aufgebaut. Dieses bedeutet, daß der Kernbrennstoff in Hülsen eingefüllt ist und lange Stäbe bildet, und daß diese Brennstoffstäbe in vorgegebenen Abständen voneinander in Kästen angeordnet sind, durch die Kühlmittel hindurchströmen kann. Diese Kästen mit den Brennstoffstäben werden Brennstoffbündel genannt. Der Reaktorkern ist nun aus einer ausreichenden Anzahl solcher Brennstoffbündel aufgebaut, die in einem gewissen geometrischen Schema angeordnet sind, so daß eine Spaltungskette ablaufen kann, bei der die Nennleistung des Reaktors frei werden kann.In a known nuclear reactor, the reactor core has a heterogeneous structure. This means that the nuclear fuel is filled in pods and forms long rods, and that these fuel rods are arranged at predetermined distances from one another in boxes through which coolant can flow. These boxes with the Fuel rods are called fuel bundles. The reactor core is now built up from a sufficient number of such fuel bundles, which are arranged in a certain geometric scheme are, so that a fission chain can take place in which the nominal capacity of the reactor can be released.

Ganz allgemein wird ein Leistungsreaktor zyklisch betrieben. Das bedeutet, daß der Reaktor periodisch abgeschaltet wird, um Brennstoff nachzufüllen beziehungsweise um die ursprüngliche Reaktivität des Reaktors wieder herzustellen. Während der Betriebsperioden ändert sich die Zusammensetzung des Kernbrennstoffes kontinuierlich, und obwohl die gesamte oder die effektive Reaktivität konstant gehalten wird, ändert sich während einer solchen Betriebsperiode die örtliche Reaktivität sehr erheblich, da die Reaktivitätsabnahme auf Grund des Brennstoffabbrandes über den gesamten Reaktorkern ausgeglichen werden muß. Diese Änderungen der örtlichen Reaktivität führen auf Änderungen in der Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkernes, da die Reaktivität in den verschiedenen Reaktorgebieten den Neutronenfluß innerhalb dieser Gebiete bestimmt und da die Leistungserzeugungsdichte innerhalb eines bestimmten Reaktorgebietes dem Produkt aus dem Neutronenfluß in diesen Gebiet und der Konzentration des spaltbaren Materials in diesem Gebiet proportional ist.In general, a power reactor is operated cyclically. This means that the reactor is shut down periodically to Refill fuel or to restore the original reactivity of the reactor. During the operating periods the composition of the nuclear fuel changes continuously, and although the total or the effective Reactivity is kept constant, the local reactivity changes very significantly during such an operating period, since the decrease in reactivity due to the fuel burn-up must be compensated for over the entire reactor core. These changes the local reactivity lead to changes in the power distribution inside the reactor core, since the reactivity in the various reactor areas increases the neutron flux within of these areas and since the power generation density within a certain reactor area is the product of the Neutron flux in this area and the concentration of fissile material in this area is proportional.

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Die Leistung, die in einem Kernreaktor erzeugt werden kann, ist ganz allgemein durch die Temperaturgrenzen der Materialien begrenzt, die im Reaktorkern an der Stelle der höchsten Leistungsdichte verwendet sind, wenn dee LEistungsdichte innerhalb des Kernes ungleichförmig ist, arbeitet nur das Gebiet mit der höchst zulässigen Leistungsdichte mit dem ausgelegten Nennwert, so daß die über den ganzen Reaktor gemittelte Leistung kleiner als die theoretisch erzielbare Leistung ist. Praktisch bedeutet eine solche ungleichförmige Leistungsverteilung, daß der Reaktorkern größer und teuerer muß, müssen, und daß für eine vorgegebene Nennleistung der erste brennstoffeinsatz größer sein muß. Um nun die Kosten für die Anlage und die erste ßrennstoffausstattung möglichst klein zu halten, sollte daher der Paktor, der die Spitzenleistungsdichte beschriebt, - (und der als das Verhältnis der maximalen Leistungserzeugungsdichte zur mittleren Leistungserzeugungsdichte definiert ist) - während einer Betriebsperiode so . klein als möglich sein.The power that can be generated in a nuclear reactor is generally limited by the temperature limits of the materials, which are used in the reactor core at the point of highest power density, if the power density is within the Core is non-uniform, only the area with the highest permissible power density works with the designed nominal value, so that the power averaged over the entire reactor is less than the theoretically achievable power. Practically means such uneven power distribution that the reactor core larger and more expensive must, must, and that for a given nominal power the first fuel input must be larger. To now the Costs for the plant and the first fuel equipment if possible Keeping it small should therefore be the factor that controls the peak power density - (and as the ratio of the maximum power generation density to the average power generation density is defined) - during an operating period like this. be as small as possible.

Wenn man sich für das Ende einer Betriebsperiode bestimmte Bedingungen vorgibt, hat sich herausgestellt, daß der Paktor, der die Spitzenleistungsdichte beschreibt, dann ein Minimum ist, wenn die Leistungsverteilung während der gesamten Betriebsperiode möglichst stationär ist.If you have certain conditions for the end of an operating period pretends, it has been found that the factor describing the peak power density is a minimum if the Power distribution is as stationary as possible during the entire operating period.

Das Ziel der Erfindung b esteht nun darin, eine zulässige Leistungs- und die damit verbundene Reaktivitätsverteilung während einer Betriebsperiode zu bestimmen, und zwar dadurch, daß die örtliche überschußreaktivität bestimmt wird. Hierzu werden abbrennbare Reaktorgifte in einer Menge, Dichte und in einer räumlichen Anordnung verwendet, die während einer Reaktorbetriebsperiode die Änderungen der örtlichen überschußreaktivität praktisch völlig ausgleichen.The aim of the invention consists in determining a permissible power distribution and the associated reactivity distribution during an operating period by determining the local excess reactivity. For this purpose, burnable reactor poisons are used in an amount, density and in a spatial arrangement that practically completely compensates for the changes in the local excess reactivity during a reactor operating period.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktorkern in Zonen eingeteilt worden, so daß die ideale Verteilung der Reaktorgifte durch Stufenfunktionen approximiert werden kann. In the embodiment of the invention shown, the reactor core has been divided into zones so that the ideal distribution of the reactor poisons can be approximated by step functions.

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Die geringste Dichte der abbrennbaren Reaktorgifte ist so gewählt, daß eine Selbstabschirmung zu Stande kommt. Die abbrennbaren Reaktorgifte sind geometrisch derart angeordnet, daß die abbrennbaren Heaktorgifte mit der Strahlungsdosis im Reaktor verarmen. Die Oberfläche der Reaktorgifte, und damit die Reaktivität, die von dem abbrennbaren Reaktorgift geregelt wird, nimmt auf solche Weise ab, daß sie mit der Abnahme der Reaktivität auf Grund des ßrennstoffabbrandes übereinstimmt. Die anfängliche Anzahl der Atome, die als Keaktorgifte Wirken, wird in jeder Zone derart gewählt, daß die anfängliche Überschußreaktivität in der jeweils interessierenden Zone kompensiert wird, die an dieser Stelle von dem Reaktorgift geregelt wird. Die anfängliche Anzahl der Atome, aie als Reaktorgifte wirken, ist so gewählt, daß das Reaktorgift durch die in dieser Zone auftretende Strahlungsdosis, die während einer Betriebsperiode zu erwarten ist, praktisch vollständig auf-The lowest density of the burnable reactor poisons is chosen so that that self-shielding comes about. The burnable reactor poisons are geometrically arranged in such a way that the burnable heater poisons are depleted with the radiation dose in the reactor. The surface of the reactor poisons, and thus the reactivity, which is regulated by the burnable reactor poison, increases Decide that it corresponds to the decrease in reactivity due to the fuel burn-off. The initial number of atoms which act as keactor poisons is chosen in each zone in such a way that that the initial excess reactivity in the zone of interest is compensated, which at this point of the reactor poison is regulated. The initial number of atoms, aie act as reactor poisons, is chosen so that the reactor poison due to the radiation dose occurring in this zone, which is to be expected during an operating period, practically completely

ebraucht wird. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das abbrennbare Reaktorgift zylindrisch angeordnet.is needed. In the illustrated embodiment of the invention the burnable reactor poison is arranged cylindrically.

Im Folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnungen im inzelnen beschrieben werden,In the following, the invention will be described in detail with reference to the drawings,

Figur 1 zeigt schematisch eine Kernkraftanlage. " * Figur 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Reaktorkern.Figure 1 shows schematically a nuclear power plant. "* Figure 2 shows a schematic plan view of a reactor core.

Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffbündeis. Figure 3 is a schematic side view of a fuel bundle.

Figur 4a zeigt eine typische axiale Leistungsverteilung im stationären Zustand.Figure 4a shows a typical axial power distribution in the stationary State.

Figur 4b zeigt eine Reaktivitätsverteilung, die mit der Leistungsverteilung nach Figur 4A verträglich ist.FIG. 4b shows a reactivity distribution that corresponds to the power distribution is compatible according to Figure 4A.

?igur 5A zeigt eine typische radiale Leistungsverteilung im stationären Zustand.? igur 5A shows a typical radial power distribution in the stationary State.

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Figur 5B zeigt eine Reaktivitätsverteilung, die mit der Leistungsverteilung nach Figur 5A verträglich ist.Figure 5B shows a reactivity distribution that correlates with the power distribution is compatible according to Figure 5A.

Figur 6 zeigt die Änderung der Reaktivität mit dem Abbrand.FIG. 6 shows the change in reactivity with the burnup.

Figur 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Reaktivitätsregelung und dem Abbrand für Änderungen in der Dichte und dem anfänglichen Radius der sich selbst abschirmenden Zylinder aus abbrennbaren Reaktorgiften.FIG. 7 shows the relationship between reactivity regulation and burnup for changes in density and the initial one Radius of the self-shielding cylinder made of combustible reactor poisons.

Figur 8a zeigt die Neutronenflußverteilung für die Leistungsverteilung nach Figur 5AFigure 8a shows the neutron flux distribution for the power distribution according to Figure 5A

L<'igur 8b zeigt die Neutronenflußverteilung für die Leistungsverteilung nach Figur 5BFigure 8b shows the neutron flux distribution for the power distribution according to Figure 5B

Figur 9 zeigt eine Reaktivitätsverteilung;, die aus Figur 5B abgeleitet ist, die von den abbrennbaren Reaktorgiften zu regeln ist.Figure 9 shows a reactivity distribution; derived from Figure 5B which is to be regulated by the combustible reactor poisons.

Figur 10 zeigt den Korrekturfaktor für die Neutronenstromdichte als Funktion des Radius der Reaktorgifte.FIG. 10 shows the correction factor for the neutron current density as a function of the radius of the reactor poisons.

Figuren HA una UB zeigen, wie der Reaktorkern in Zonen eingeteilt wird.Figures HA and UB show how the reactor core is divided into zones will.

Figuren 12A und 12B zeigen ein Beispiel für die Verteilung der Reaktorgifte in den Brennstoffstäben eines Brennstoffbündels, das in der Mitte eines Reaktorkernes verwendet werden soll.Figures 12A and 12B show an example of the distribution of the reactor poisons in the fuel rods of a fuel bundle, to be used in the middle of a reactor core.

Figuren 13A und 1J>Ü zeigen ein Beispiel für die Verteilung der Reaktorgifte in den Brennstoffstäben von Brennstoffbündeln, die am Rand eines Reaktorkernes verwendet werden sollen.FIGS. 13A and 1J> Ü show an example of the distribution of the reactor poisons in the fuel rods of fuel bundles which are to be used on the edge of a reactor core.

Figur I1J zeigt einen Brennstoff stab.Figure I 1 J shows a fuel rod.

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Die erfindungsgemäße Anordnung von abbrennbaren Reaktorgiften kann in verschiedenen Reaktortypen verwendet werden. Beschrieben werden soll diese Anordnung an Hand eines Siedewasserreaktors, wie er schematisch in der Figur 1 dargestellt ist. Ein solcher Siedewasserreaktor weist einen Druckbehälter 10 auf. in dem ein Reaktorkern 11 enthalten ist. Der Reaktorkern 11 ist in ein Kühlmittel wie beispielsweise in leichtes Wasser eingetaucht. Der Reaktorkern 11 weist eine Anzahl von Brennstoffbündeln auf, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. Jedes Brennstoffbündel besteht aus einer bestimmten Anzahl von Brennstoffstäben, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander in einem Kasten angeordnet sind. In die Zwischenräume zwischen den einzelnen Brennstoffbündeln können kreuzförmige Steuerstäbe 12 einzeln eingefahren beziehungsweise aus diesen Zwischenräumen herausgezogen werden, so daß die Reaktivität des Reaktorkernes mechanisch gesteuert werden kann. Die hierfür benötigten Antriebsvorrrichtungen sind mit 13 bezeichnet worden. Zum Umwälzen des Kühlmittels durch den Reaktorkern ist eine Pumpe Ik vorgesehen worden. Das Kühlmittel nimmt die in den Brennstoffstäben erzeugte Wärme auf und wird dabei partiell in Dampf umgewandelt. Dieser Dampf wird zur Leistung von Nutzarbeit ausgenutzt, beispielsweise in einer Turbine 16. Der Abdampf aus der Turbine wird in einem Kondensor 17 kondensiert und von einer Pumpe 18 wieder als Speisewasser in den Druckbehälter 10 zurückgepumpt.The arrangement according to the invention of burnable reactor poisons can be used in various types of reactor. This arrangement is to be described using a boiling water reactor as shown schematically in FIG. Such a boiling water reactor has a pressure vessel 10. in which a reactor core 11 is contained. The reactor core 11 is immersed in a coolant such as light water. The reactor core 11 has a number of fuel bundles which are arranged at a certain distance from one another. Each fuel bundle consists of a certain number of fuel rods which are arranged in a box at a predetermined distance from one another. Cross-shaped control rods 12 can be individually inserted into the spaces between the individual fuel bundles or pulled out of these spaces so that the reactivity of the reactor core can be controlled mechanically. The drive devices required for this have been designated by 13. A pump Ik has been provided for circulating the coolant through the reactor core. The coolant absorbs the heat generated in the fuel rods and is partially converted into steam. This steam is used to perform useful work, for example in a turbine 16. The exhaust steam from the turbine is condensed in a condenser 17 and pumped back into the pressure vessel 10 as feed water by a pump 18.

Die Figur 2 zeigt nun den Reaktorkern 11 von oben. In dem Reaktorkern 11 sind jeweils Vierergruppen von Brennstoffbündeln um einen jeden Steuerstab 12 herum angeordnet.FIG. 2 now shows the reactor core 11 from above. In the reactor core 11 are groups of four fuel bundles around each control rod 12 arranged around.

Eine Seitenansicht eines Brennstoffbündels 20 ist in der Figur dargestellt. Dieses Brennstoffbündel 20 weist einen Kasten 21 von quadratischem Querschnitt auf, in dem zwischen Gitterplatten 23 und 24 eine Anzahl von Brennstoffstäben 22 gehaltert sind. Unten am Kasten 21 ist eine Nase 26 vorgesehen, die mit öffnungen ausgestattet ist, durch die das Kühlwasser nach oben zwischen den Brennstoffstäben hindurch strömt. Die Brennstoffstäbe 22 kön-A side view of a fuel bundle 20 is shown in the figure. This fuel bundle 20 has a box 21 of square cross-section, in which a number of fuel rods 22 are held between grid plates 23 and 24. At the bottom of the box 21 a nose 26 is provided, which is equipped with openings through which the cooling water between flows through the fuel rods. The fuel rods 22 can

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nen aus einer Hülse aufgebaut sein, in die eine Anzahl von Brennstoff pillen eingefüllt ist. Typische Werte für den Durchmesser der Brennstoffstäbe sind etwa 12,7 mm, und ihre Länge beträgt typischerweise etwa 3,65 m.nen be constructed from a sleeve in which a number of fuel pills is filled. Typical values for the diameter of the fuel rods are approximately 12.7 mm and their length is typically about 3.65 m.

Die Nennleistung eines Kernreaktors ist überlicherweise durch den Umfang der Wärmeabfuhr in demjenigen Gebiet des Reaktorkernes beschränkt, in dem die Leistungsdichte am höchsten ist. Die Leistungsverteilung muß während einer gesamten Betriebsperiode in Betracht gezogen werden, da Änderungen in der Leistungsverteilung durch BrennstoffVerarmung, den Aufbau von Spaltprodukten, die bewegung der Steuerstäbe und durch andere Effekte bedingt ist. Vom wirtschaftlichen her gesehen ist es nun erforderlich, daß die Leistungsverteilung so gesteuert wird, daß die Leistungsdichte in demjenigen Reaktorkerngebiet, in dem die Leistungsdichte thermisch begrenzt ist, möglichst klein gehalten wird. Es ist daher günstig, wenn der Leistungsspitzenfaktor (also aas Verhältnis von Spitzenleistung zur mittleren Reaktorleistung) während einer Betriebsperiode möglichst klein gehalten wird, um die gesamte Nennleistung des Reaktors möglichst groß zu machen.The rated power of a nuclear reactor is usually determined by the amount of heat dissipation in that area of the reactor core limited, in which the power density is highest. The power distribution must be in Consideration should be given to changes in power distribution due to fuel depletion, the build-up of fission products, which movement of the control rods and is caused by other effects. From an economic point of view, it is now necessary that the power distribution is controlled so that the power density in that reactor core area in which the power density is thermally limited, is kept as small as possible. It is therefore beneficial if the peak power factor (i.e. aas ratio from peak power to average reactor power) during an operating period is kept as small as possible in order to make the total rated power of the reactor as large as possible.

Es wurde bereits erwähnt, daß für irgend welche vorgegegbenen Bedingungen für das Ende einer Betriebsperiode der Leistungsspitzenfaktor' dann möglichst klein gehalten werden kann., wenn sich die räumliche (oder dreidimensionale) Leistungsverteilung während einer Betriebsperiode nicht ändert. Diese Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode werden von Parametern beherrscht, von denen hier der Brennstoffabbrand, der Umfang der Reaktivitätsregelung, (das übrig bleibende Reaktorgift und/oder die Regelstärke der Steuerstäbe), die im Kern verbleibt sowie die übrigbleibende Überschußreaktivität (falls vorhanden) erwähnt werden sollen.It has already been mentioned that for some given conditions for the end of an operating period the peak power factor can then be kept as small as possible, if the spatial (or three-dimensional) power distribution does not change during an operating period. These conditions in the end of an operating period are dominated by parameters, of which here the fuel burn, the scope of the reactivity control, (the remaining reactor poison and / or the control strength of the control rods) that remains in the core as well as the remaining excess reactivity (if any) should be mentioned.

Die Leistungsverteilung, die unter dem Gesichtspunkt eines möglichst kleinen Leistungsspitzenfaktors während .einer Betriebsperiode optimal ist, ist daher eine stationaäre Leistungsverteilung, die durch die Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode bestimmtThe power distribution, from the point of view of a possible a small power peak factor during an operating period is therefore a stationary power distribution, determined by the conditions at the end of an operating period

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sind. Die stationäre Leistungsverteilung kann man durch eine Iteration zwischen der Leistungsverteilung und dem Einfluß des Abbrandes auf den örtlichen Reaktivitätsfaktor k^ berechnen 3 der auf vorgegebenen Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode beruht. Hierzu wird zuerst eine Leistungsverteilung vorausgesetzt, und dann wird der örtliche Reaktivitätsfaktor ko^ unter der Vorraussetzungen bestimmter Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode bestimmt. Die Reaktivitätsverteilung kann dann ihrerseits dazu verwendet werden, mit Hilfe der bekannten Diffusionstheorie die Leistungsverteilung am Ende einer Betriebsperiode zu berechnen. Eine Wiederholung dieser Vorgänge kann dann möglicherweise auf eine Verteilung der Leistung und der Reaktivität führen, die miteinander verträglich sind, und die so erhaltene konvergierende Lösung führt auf die Leistungsverteilung, die erforderlich ist, um den Leistungsspitzenfaktor während einer gesamten Betriebsperiode möglichst klein zu halten.are. The stationary power distribution may be obtained by an iteration between the power distribution and the influence of the erosion on the local Reaktivitätsfaktor k ^ 3 calculated based on predetermined conditions at the end of a period of operation. For this purpose, a power distribution is first assumed, and then the local reactivity factor ko ^ is determined under the assumption of certain conditions at the end of an operating period. The reactivity distribution can then in turn be used to calculate the power distribution at the end of an operating period with the aid of the known diffusion theory. A repetition of these processes can then possibly lead to a distribution of the power and the reactivity that are compatible with one another, and the converging solution thus obtained leads to the power distribution that is required to keep the peak power factor as small as possible during an entire operating period.

in den Figuren 4A bis 5B sind nun Verteilungen der örtlichen Reaktivität und der Leistung dargestellt, die miteiander verträglich sind. In diesen Figuren bedeuten P die Verteilung der ort-in FIGS. 4A to 5B are now distributions of the local Reactivity and performance shown, which are mutually compatible are. In these figures, P mean the distribution of the local

liehen Leistung, wie sie angestrebt wird, und k die Verteilungborrowed performance as aimed, and k the distribution

der örtlichen Reaktivitätthe local reactivity

teilung P erforderlich ist. Die Figuren UA unddivision P is required. The figures UA and

die zur Erzeugung der Leistungsverzeigen typi-which are typical for generating the performance reports

sehe axiale Verteilungen, beispielsweise entlang einem Brennstoffstab, während die Figuren 5A und -5b typische Radial Verteilungen darstellen, die in einer Ebene quer zum Reaktorkern gemessen werden können. In den Figuren 4B und 5B ist außerdem die anfängliche Reaktivität k. am Beginn einer Betriebsperiode dargestellt. Am Beginn einer Betriebsperiode beträgt somit die überschußreak- ;ivität, die geregelt werden muß, k. - k . Die örtliche Heaktivi- ;ät nimmt nun mit der Strahlungsdosis ab, wenn der Brennstoff verbraucht wird. Um nun eine stationäre Reaktivitätsverteilung k und damit eine stationäre Leistungsverteilung P) aufrecht zu rhalten, muß der Umfang der Reaktivitätsregelung oder die ortIiihe Steuerstärke so groß sein, aaß die örtliche überschußreakti-see axial distributions, for example along a fuel rod, while FIGS. 5A and -5b show typical radial distributions which can be measured in a plane perpendicular to the reactor core. Also in Figures 4B and 5B is the initial one Reactivity k. shown at the beginning of an operating period. At the beginning of an operating period, the excess reaction ; ivity that needs to be regulated, k. - k. The local heaktivi- ; ät now decreases with the radiation dose as the fuel is used up. In order to obtain a stationary reactivity distribution k In order to maintain a steady distribution of power P), the scope of the reactivity regulation or the locality must be used Tax strength so great that ate the local excess reactive

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ität ausgeglichen wird, und diese Steuerstärke muß genau so wie die örtliche Reaktivität abnehmen.This tax strength must decrease as well as the local reactivity.

<enn der Sollwert der stationären Leistungsverteilung P räum- <enn the setpoint of the stationary power distribution P spatial

ich durch den Ausdruck P (x, y, z) gegeben ist, wird der Abrand an irgend einem Punkt (x, y, z) innerhalb des Kernes durch Olgenden Ausdruck beschrieben:I is given by the expression P (x, y, z), the margin becomes at any point (x, y, z) within the kernel by the following expression:

1) js (x3 y, z3 t) = üQ (x, y, z) + PQ (x, y, z, t)1) js (x 3 y, z 3 t) = ü Q (x, y, z) + P Q (x, y, z, t)

π diesem Ausdruck bedeuten E die Abbrandverteilung zu Beginn iner Betriebsperiode, P die Leistungsdichte, und :!t" die Zeit om Beginn einer Betriebsperiode an, gemessen in vollen Leistungsagen. In this expression, E is the burn-up distribution at the beginning of an operating period, P is the power density, and :! t "the time from the beginning of an operating period, measured in full power days.

Wenn der Abbrand in Megawatt-Tagen pro Tonne gemessen wird, dann teilt P die Leistungsdichte in Megawatt pro Tonne dar., und :it" ist die Anzahl der Tage, an denen der Reaktor mit der Leistungsdichte P betrieben worden ist.)If the burn-up is measured in megawatt days per ton, then P is the power density in megawatts per ton., And : i t "is the number of days on which the reactor has been operated at power density P.)

tfenn die Geschwindigkeit, mit der die örtliche Reaktivität für eine einheitsleistungsdichte abnimmt, durch den Ausdruck 4 k/Δt (x, y, z, t) gegeben ist, kann die Abnahme der örtlichen Reaktivität mit dem Abbrand während einer Betriebsperiode durch folgenden Ausdruck beschrieben werde:If the rate at which the local reactivity decreases for a unit power density is given by the expression 4 k / Δ t (x, y, z, t), the decrease in local reactivity with the burn-up during an operating period can be described by the following expression will:

2) 4 kl (x, y, zs t) = (?o (x, y, z)4k/4t (x, y, z, t) dt2) 4 kl (x, y, z s t) = (? O (x, y, z) 4k / 4t (x, y, z, t) dt

Wenn man annimmt, daß am Ende einer Betriebsperiode der Reaktor perade noch kritisch ist, und daß keine Regelung mehr im Reaktorkern verbleibt, dann ist die örtliche Reaktivität, die zu irgend einem beliebigen Zeitpunkt während einer Betriebsperiode geregelt oder gesteuert werden muß, gleich dem Unterschied zwischen dem Keaktivitätsverlust am Ende der Betriebsperiode und dem Reaktivitätsverlust an irgend einem beliebigen Zeitpunkt während dieser Periode.Assuming that at the end of an operating period the reactor is still critical and that there is no more regulation in the reactor core remains, then the local reactivity is regulated at any point during an operating period or must be controlled, equal to the difference between the loss of reactivity at the end of the operating period and the loss of reactivity at any time during this period.

909838/102 8909838/102 8

Es gilt daher folgender Ausdruck:The following expression therefore applies:

3) Ak (X9 y, z, t) = Ak1 (xs y, z, t„)3) Ak (X 9 y, z, t) = Ak 1 (x s y, z, t ")

(x, y3 z, t)(x, y 3 z, t)

hierin bedeuten j\ k die gesamte, zu irgend einem Zeitpunkt vorhan.dene Reaktivitätsregelung, und zwar unter Berücksichtigung der Steuerstäbe und anderer Reaktor gif te, A k, den Verlust an örtlicher Reaktivität, r-t" die vorgegebene Abbrandzeit und ;'t'T die Abbrandzeit am Ende einer Betriebsperiode.here j \ k mean the entire reactivity control that is present at any point in time, taking into account the control rods and other reactor gif te, A k, the loss of local reactivity, r -t " the specified burn-up time and ; 't' T is the burn time at the end of an operating period.

Der Ausdruck (3) definiert daher den Zusammenhang zwischen dem gesamten Abbrand und der Regelung der örtlichen Reaktivität, der eingehalten werden muß, um die gewünschte stationäre Leistungsverteilung aufrechtzuerhalten.The expression (3) therefore defines the relationship between the total burn-up and the regulation of the local reactivity, the must be adhered to in order to maintain the desired stationary power distribution.

Der Ausdruck (3) ist nun in der Figur 6 graphisch dargestellt. In der Figur 6 bedeuten k. die anfängliche örtliche Reaktivität zum Zeitpunkt t zu Beginn des Abbrandes, und kf die örtliche Reaktivität nach der Abbrandzeit tf am Ende einer Betriebsperiode. Der Reaktivitätsverlust A k, nach der Abbrandzeit t„, also am Ende einer Betriebsperiode, beträgt k. - k„. Die zu irgend einem Zeitpunkt erforderliche Regelung der örtlichen Reaktivität Λ k gleicht somit dem Unterschied zwischen Δ k, zum Zeitpunkt t„ und Δ k-, zum Zeitpunkt t. (In der Figur 6 ist der Zusammenhang zwischen K00 und E linear dargestellt. Der Ausdruck (3) gilt aber auch, wenn dieser Zusammenhang einen irgend wie anderen Verlauf aufweist).Expression (3) is now shown graphically in FIG. In FIG. 6, k mean. the initial local reactivity at time t at the beginning of the burn-up, and k f the local reactivity after the burn-up time t f at the end of an operating period. The loss of reactivity A k after the burn-up time t ", ie at the end of an operating period, is k. - k ". The regulation of the local reactivity Λ k, which is required at any point in time, is thus equal to the difference between Δ k at the point in time t “and Δ k- at the point in time t. (In FIG. 6, the relationship between K 00 and E is shown linearly. However, expression (3) also applies if this relationship has any other course).

Um nun erfindungsgemäß während einer Betriebsperiode innerhalb des gesamten Reaktorkernes die gewünschte stationäre Leistungsverteilung aufrecht erhalten zu könnens, wird a) abbrennbares Reaktorgift auf solche Weise im Kern verteilt, daß sich zu Beginn einer ßetriebsperiode die gewünschte Leistungsverteilung einstellt, wird weiterhin b) dafür gesorgt, daß diese Leistungsverteilung während der Betriebsperiode praktisch konstant bleibt, und c) wird Reaktorgift nur in solcher Menge verwendet, daß das Gift am Ende einer Betriebsperiode praktisch aufgebraucht ist.In order now, according to the invention, during an operating period within the entire reactor core, the desired stationary power distribution To be able to maintain, a) burnable reactor poison is distributed in the core in such a way that at the beginning an operating period sets the desired power distribution, it is also ensured that this power distribution remains practically constant during the operating period, and c) reactor poison is only used in such an amount that the Poison is practically used up at the end of an operating period.

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piese Ergebnisse-werden nun erfindungsgemäß durch eine derartige räumliche Verteilung von Reaktorgiften erreicht, daß die anfängliche Reaktivitätsregelstärke mit dem Reaktivitätsverlust vergleichbar ist, den der Brennstoff während einer Betriebsperiode erleidet, und zwar werden die Reaktorgifte in einer solchen Konzentration und Anordnung verwendet, daß sie während des Abbrandes mit einer Geschwindigkeit aufgebraucht werden, die mit der Geschwindigkeit vergleichbar ist, mit der die Reaktivität des Brennstoffes während einer Betriebsperiode abnimmt, und daß sie durch den Abbrand während einer vollen Betriebsperiode völlig aufgebraucht werden.These results are now, according to the invention, by such a spatial distribution of reactor poisons achieved that the initial Reactivity control strength is comparable to the loss of reactivity that the fuel has during a period of operation suffers, and that the reactor poisons are used in such a concentration and arrangement that they during the burnup be consumed at a rate that is comparable to the rate at which the reactivity of the fuel decreases during an operating period, and that it is completely consumed by the burnup during a full operating period will.

Bei großen Leistungsreaktören hat man gefunden, daß die Abnahme der örtlichen Reaktivität k^ in einem großen Bereich praktisch linear mit dem Abbrand verläuft. (Hiervon ausgenommen ist nur eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne zu Beginn einer Betriebsperiode, bis sich das Gleichgewicht zwischen der Neubildung von Brennstoff aus Brutmaterial und der Bildung von Spaltprodukten eingestellt hat, die als Reaktorgifte'wirken.) Die örtliche Reaktivität k^ nimmt daher mit praktisch konstanter Geschwindigkeit ab.In the case of large power reactors, it has been found that the decrease the local reactivity k ^ in a large area practical runs linearly with the burn. (The only exception to this is a relatively short period of time at the beginning of an operating period, until the equilibrium is established between the formation of new fuel from brood material and the formation of fission products which act as reactor poisons.) The local reactivity k ^ therefore decreases at a practically constant rate.

Wenn man die Geschwindigkeit, mit der die örtliche Reaktivität abnimmt, als Konstante ITL" bezeichnet, wobei 4k/4t (x,y,z,t) gleich "L*1 ist, folgt aus der Beziehung 2)If one denotes the rate at which the local reactivity decreases as the constant IT L ", where 4k / 4t (x, y, z, t) is equal to" L * 1 , it follows from the relation 2)

l\) H1 (x, y, z, t) = P0Lt
und aus der Beziehung 3)
l \) H 1 (x, y, z, t) = P 0 Lt
and from the relationship 3)

5) kc (x, y, z, t) = PoL (tf - t)5) k c (x, y, z, t) = P o L (t f - t)

Die Beziehung 5) definiert daher den Zusammenhang zwischen der Abbranddauer und der örtlichen Reaktivitätsregelstärke, der für eine stationäre Leistungsverteilung aufrechterhalten werden muß, wenn die örtliche Reaktivität linear mit dem Abbrand abnimmt, wenn sie also mit einer konstanten Geschwindigkeit abnimmt, wie es in Figur 6 dargestellt ist. Setzt man diese Bedingung voraus,The relationship 5) therefore defines the relationship between the Burning time and the local reactivity control strength that must be maintained for a stationary power distribution, if the local reactivity decreases linearly with the burnup, i.e. if it decreases at a constant rate, like it is shown in FIG. Assuming this condition,

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a) die Hegelstärke linear abnehmen, das heißt die Änderungsgeschwindigkeit der Regelstärke mit dem Abbrand, muß eine Konstante sein, die mit der konstanten Geschwindigkeit übereinstimmt, mit der die Reaktivität abnimmt, und b) ist die erforderliche Regelstärke für die örtliche Reaktivität der örtlichen Leistungsdichte proportional.a) the Hegel strength decrease linearly, i.e. the rate of change of the control strength with the burn-up, must be a constant be that coincides with the constant speed, with which the reactivity decreases, and b) is the required control strength for the local reactivity of the local power density proportional.

wan hat gefunden, daß man dann eine Abnahme der Regelstärke mit einer praktisch konstanten Geschwindigkeit erhält, wenn man abbrennbares Reaktorgift in Form eines sich selbst abschirmenden Zylinders verwendet. Der Begriff der "Selbstabschirmung'· soll hier bedeuten, daß der Neutronenabsorptionsquerschnitt^ und die Dichte der als Gifte verwendeten. Atome so groß sind, daß axe einfallenden Neutronen nur in den Außenschichten des Zylinders eingefangen werden, so daß diese Außenschichten des Zylinders das Zylinderinnere gegenüber den Neutronen abschirmen. Wenn die als Reaktorgift verwendeten Atome Neutronen einfangen, werden sie in Isotope umgewandelt, deren Neutronenabsorptionsquerschnitt klein ist. Wenn also der Abbrand fortschreitet, werden die Außenschichten des Zylinders für Neutronen immer durchlässiger und die nächsten, weiter innen liegenden Schichten des Zylinders werden den Neutronen ausgesetzt. Dieser Zylinder aus Reaktorgift wirkt also wie ein Steuerstab, dessen Radius in Abhängigkeit vom Abbrand schrumpft, und dessen Regeleinfluß auf die Reaktivität daher immer geringer wird, da die Regelstärke des Zylinders der Größe seiner Oberfläche proportional ist. Dieses geht, noch klarer aus der folgenden Betrachtung hervor:wan has found that there is then a decrease in the strength of the rules a practically constant rate if you get burnable Reactor poison used in the form of a self-shielding cylinder. The concept of 'self-shielding' · should here mean that the neutron absorption cross-section ^ and the density of those used as poisons. Atoms are so big that ax incident neutrons are only captured in the outer layers of the cylinder, so that these outer layers of the cylinder are the Shield the inside of the cylinder from the neutrons. When the atoms used as nuclear poison capture neutrons, they will converted into isotopes, the neutron absorption cross-section of which is small. So as the burn continues, the outer layers become of the cylinder becomes more and more permeable to neutrons and the next, more inner layers of the cylinder become exposed to neutrons. This cylinder made of poison acts like a control rod, the radius of which depends on the burn-up shrinks, and its control influence on the reactivity is therefore less and less, since the control strength of the cylinder of Size of its surface is proportional. This is even clearer from the following consideration:

vienn die Länge des Zylinders aus Reaktorgift gegenüber seinem Durchmesser groß ist, und wenn sein Durchmesser so klein ist, daß der Neutronenfluß 0 außerhalb des Zylinders nicht gestört wird, ist der Neutronenstrom J an der Oberfläche des Zylinders durch folgenden Ausdruck gegeben: If the length of the poison cylinder is large compared to its diameter, and if its diameter is so small that the neutron flux O outside the cylinder is not disturbed, the neutron flux J at the surface of the cylinder is given by the following expression:

6) J = 0/4 Neutronen/cm - see6) J = 0/4 neutrons / cm - see

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,enn 9 die Anzahl der Atome pro ecm mit nohem weutronenabsorptionsquerschiiitt bedeutet, dann ist die Anzahl dieser Atome pro y linder einheit slärii'e η durch folgenden Ausdruck gegeben:, hen 9, the number of atoms per cc with means nohem weutronenabsorptionsquerschiiitt, then the number of these atoms is given per unit y relieving slärii'e η by the following expression:

7) h =7) h =

In diesem Ausdruck bedeutet "r- der Radius des noch nicht verbrauchten Reaktorgiftes.In this expression "r- means the radius of what has not yet been used Reactor poison.

venn man annimmt, daß aas Reaktorgift für Neutronen völlig schwarz ist, (wenn also der Neutronenabsorptionsquerschnitt unndlich groß ist., so daß eine Se Ib st ab schirmung zu Stande kommt, ie es oben besenrieben wurde, wird das Reaktorgift nur an der iylinderoberflache verbraucht, und die Anzahl der als Reaktorgift verwendeten Atome, die in der Zeit t verbraucht werden, ist praktisch gleich der Anzahl der Neutronen, die während dieser Zeit auf die Oberfläche des Reaktorgiftes auffallen. Es gilt daher:if one assumes that the reactor is completely poisonous for neutrons is black, (if the neutron absorption cross-section is infinitely large., so that a self-shielding comes about, As stated above, the reactor poison is only consumed on the cylinder surface, and the number of it as reactor poison Atoms used that are consumed in time t is practically equal to the number of neutrons that are used during this time fall on the surface of the reactor poison. The following therefore applies:

ö) dh/dt = -2.tr rJ dr/dt = 27?-rJ
kombiniert man die Ausdrücke 6) und 8), so erhält man: dr = (-Φ/Hj ) dt
ö) dh / dt = -2.tr r J dr / dt = 27? -rJ
if you combine the expressions 6) and 8), you get: dr = (-Φ / Hj ) dt

wenn man diesen Ausdruck zeitlich von einem Anfangsradius r aus ÜDer r integriert, so erhält man *if you start this expression in time from an initial radius r ÜThe r is integrated, so you get *

y) r = ro- Φχ,/kO
hierin bedeutet 0 den mittleren Neutronenfluß während der Zeit t.
y) r = r o - Φχ, / kO
here 0 means the mean neutron flux during the time t.

Der Ausdruck 9) zeigt nun, daß der Radius des Zylinders, der das Reaktorgift enthält, linear abnimmt, und zwar dem Produkt aus der Zeit und dem Fluß (St direkt proportional und der Dichte des Reaktorgiftes umgekehrt proportional.Expression 9) now shows that the radius of the cylinder that the Contains reactor poison, decreases linearly, namely the product of the time and the flow (St directly proportional to the density of the Reactor poison inversely proportional.

909838/ 1028909838/1028

Das Reaktorgift ist dann vollständig aufgebraucht, wenn der Radius des Zylinders Null geworden ist. Außerdem ist das Produkt aus Fluß und Zeit 0t dem Abbrand E direkt proportional, und zwar ist es gleich CE, wobei C eine Punktion der Reaktorkerneigenschaften ist, in die beispielsweise der Anreicherungsgrad des Brennstoffes und der Spaltungsquerschnitt eingehen. Aus dem Ausdruck 9) ergibt sich daher:The reactor poison is then completely used up when the radius of the cylinder has become zero. In addition, the product of flow and time 0t is directly proportional to the burnup E, namely it equals CE, where C is a puncture of the reactor core properties in which, for example, the degree of enrichment of the fuel and the fission cross-section are included. From the Expression 9) therefore results:

10)10)

0tb = 40t b = 4

- ClEb - C l E b

Hierin bedeuten t. die Zeit, die zum völligen Aufbrauchen des Reaktorgiftes erforderlich ist, und Efe der gesamte Abbrand, der hierzu benötigt wird, beispielsweise in Megawatt-Tagen pro Tonne.Here t mean. the time that is required to completely use up the reactor poison, and E fe the total burnup that is required for this, for example in megawatt days per ton.

Man sieht also, daß das Reaktorgift in einem Abbrandintervall E^ aufgebraucht wird, das dem Produkt aus dem ursprünglichen Zylinderradius r des Reaktorgiftes und der Dichte des Reaktorgiftes οSo you can see that the reactor poison in a burn-up interval E ^ is used up, the product of the original cylinder radius r of the poison reactor and the density of the poison reactor ο

proportional ist.is proportional.

Nun soll die Regelstärke eines Zylinders aus Reaktorgiften sowie ihre zeitliche Abhängigkeit erörtert werden. Die Reaktivität, die von dem abbrennbaren Gift geregelt wird, also die Größe k , ist praktisch der Neutronenabsorption durch das Reaktorgift proportional. Es gilt daher:The control strength of a cylinder made of reactor poisons and their time dependency will now be discussed. The reactivity that is regulated by the combustible poison, i.e. the quantity k, is practically proportional to the neutron absorption by the reactor poison. The following therefore applies:

k = Pk = P.

Hierin bedeuten £ die Absorption thermischer Neutronen durch das Gift und 2* die gesamte Absorption thermischer Neutronen.Herein £ mean the absorption of thermal neutrons by the Poison and 2 * the total absorption of thermal neutrons.

Wiederum sei angenommen, daß das Reaktorgift für Neutronen vollständig schwarz ist. Wenn T als die Anzahl der Reaktorgift enthaltenden Zylinder pro Einheitsquerschnitt des Reaktorkernes ist, gilt:Again, assume that the reactor poison for neutrons is complete is black. If T is the number of cylinders containing poison per unit cross section of the reactor core, is applicable:

TfTTfT

909838/ 1 028909838/1 028

In diesem Ausdruck'bedeuten (2Tr r) den Umfang des Zylinders aus ReaKtorgift, J die Neutronenstromdichte, die nach Ausdruck 6) gleich 0/4 ist j 0 den Neutronenfluß und £~ den totalen Neutronenabsorptionsquerschnitt. In this expression, (2Tr r) mean the circumference of the cylinder made of ReaKtorgift, J the neutron flux density, which according to expression 6) equals 0/4, j 0 the neutron flux and £ ~ the total neutron absorption cross-section.

In den meisten großen Leistungsreaktoren ist der totale Absorptionsquerschnitt während des Abbrandes hinlänglich konstant und hängt vom Anreicherungsgrad des Brennstoffes sowie von dem Verhältnis ab, in dem Brutmaterial in spaltbares Material umgewandelt wird. Wenn der totale Absorptionsquerschnitt als Konstante betrachtet wird, dann kann der TermTt/2Z^ als eine KonstanteIn most large power reactors, the total absorption cross-section is sufficiently constant during the burn-up and depends on the degree of enrichment of the fuel and the ratio in which the breeding material is converted into fissile material. If the total absorption cross-section is regarded as a constant, then the term Tt / 2Z ^ can be used as a constant

/C2 angesetzt werden. Der Ausdruck 11) kann dann folgendermaßen umgeschrieben werden:/ C 2 must be applied. Expression 11) can then be rewritten as follows:

12) k = (1/Cp) rT12) k = (1 / Cp) rT

Dem Vorstehenden liegt die Annahme zu Grunde, daß die Zylinder aus Reaktorgift mehrere mittlere freie Weglängen der thermischen Neutronen voneinander entfernt liegen., so daß sie voneinander isoliert betrachtet werden können. Mit dieser Annahme und aen weiteren, bereits genannten Annahmen (daß nämlich das Reaktorgift gegenüber den Neutronen vollständig schwarz ist und daß der totale Absorptionsquerschnitt konstant ist, kann man aus dem Ausdruck 12) ablesen, daß der Reaktivitätsumfang, der von dem Reaktorgift geregelt oder gesteuert wird, dem Produkt aus dem Zylinderradius und der Anzahl der Zylinder mit Reaktorgiften pro Einheits■ querschnittsflache des Reaktorkerns proportional ist.The above is based on the assumption that the cylinders from reactor poison several mean free paths of the thermal neutrons are separated from each other., so that they are from each other can be viewed in isolation. With this assumption and further, already mentioned assumptions (namely that the reactor poison is completely black compared to the neutrons and that the total absorption cross section is constant, one can see from the expression 12) read off that the scope of reactivity, which is regulated or controlled by the reactor poison, is the product of the cylinder radius and the number of cylinders with reactor poisons per unit ■ cross-sectional area of the reactor core is proportional.

Aus den oben bereits angegebenen Ausdrücken 9) und 10) geht hervor, daß der Radius r der Zylinder mit dem Reaktorgift linear mit dem Abbrand abnimmt. Aus dem Ausdruck 12) kann man daher schließen, daß auch die vom Reaktorgift geregelte Reaktivität linear mit dem Abbrand abnimmt.From the above already given expressions 9) and 10) it follows that that the radius r of the cylinder with the poison decreases linearly with the burnup. From the expression 12) one can therefore conclude that that the reactivity regulated by the poison also decreases linearly with the burnup.

Wenn man den Ausdruck 10) in die Form Q r ^- C^/^E^^ bringt und C,/4 als neue Konstante C definiert, erhält man:If you put the expression 10) in the form Q r ^ - C ^ / ^ E ^^ and define C, / 4 as the new constant C, you get:

909838/ 1028909838/1028

Schreibt man den Ausdruck 12) in 'i'ermen des ursprünglichen Zylinderradius r um, so erhält man:If one writes the expression 12) in 'i'ermen of the original cylinder radius r um, one obtains:

14) Tr = C2k i# 14) Tr = C 2 k i #

nierin bedeutet k . die ursprüngliche Reaktivität, die von dem abbrennbaren Reaktorgift geregelt oder gesteuert wird.nierin means k. the original reactivity that of the burnable Reactor poison is regulated or controlled.

Der Zusammenhang zwischen dem ursprünglichen Zylinderradius r , aer Dichte Q des Reaktorgiftes und der Änderung; der Regel- oder dteuerstärke mit dem Abbrand ist in der Figur 7 graphisch dargestellt worden. Ein sich weitestgehend selbst abschirmendes Reaktorgift in einem Zylinder mit dem Radius r , und einer Dichte ,, führt auf eine anfängliche Steuer- oder Regelstärke k -,, und dieses Reaktorgift nimmt in einem Abbrandintervall Ξ , linear mit dem Abbrand ab. jiin Stab mit dem gleichen Radius, in dem jedoch, die Dichte des Reaktorgiftes geringer ist, führt auf die ;leiche anfängliche Steuer- oder Regelstärke k .. , nur wird das Reaktorgift in einem kürzeren Abbrandintervall E. „ aufgebraucht.The relationship between the original cylinder radius r, the density Q of the poison and the change; the control or control intensity with the burn-up has been shown graphically in FIG. A largely self-shielding reactor poison in a cylinder with the radius r, and a density ,, leads to an initial control or regulation strength k - ,, and this reactor poison decreases in a burn-up interval Ξ linearly with the burn-up. jiin rod with the same radius, in which, however, the density of the reactor poison is lower, leads to the; slight initial control or regulation strength k .., only the reactor poison is used up in a shorter burn-up interval E. “.

in Stab mit Reaktorgift , dessen Durchmesser geringer ist und r ρ beträgt, und in dem das Reaktorgift mit der Dichte Q . -, vorliegt, führt auf eine Anfangsregel- oder steuerstärke, die geringer ist und nur k ? beträgt. Das Reaktorgift in einem solchen Stab aber im gleichen Intervall E,, verbraucht, sofern die Dichte gleich dem Verhältnis r 1/r 2, multipliziert mit der Dichte ist.in rod with reactor poison, the diameter of which is smaller and r ρ, and in which the reactor poison with the density Q. -, exists, leads to an initial rule or tax strength that is lower and only k ? amounts to. The reactor poison in such a rod, however, is consumed in the same interval E ,, provided the density is equal to the ratio r 1 / r 2 , multiplied by the density.

Aus den vorstehenden Ausführungen kann man also entnehmen, daß für ein sich selbst abschirmendes Reaktorgift in zylindrischer Anordnung die Dichte des Reaktorgiftes die Zeit bestimmt, innerialb derer das Gift verbraucht wird. Die Regelstärke des Reaktor-From the above it can be seen that for a self-shielding reactor poison in cylindrical The arrangement determines the density of the poison in the reactor, the time inside who the poison is consumed. The strength of the reactor

iftes wird durch die Größe der Zylinderoberfläche bestimmt, (die eine Punktion des Zylinderradius ist), sowie durch die Anzahl der ylinder mit Reaktorgiften pro einheitsquerschnittsfläche desiftes is determined by the size of the cylinder surface (which is a puncture of the cylinder radius) and the number of ylinder with reactor poisons per unit cross-sectional area of the

909838/ 1 028909838/1 028

Reaktorkernes. Es können daher der Radius, die Dichte, die Anzahl ind die Verteilung der Zylinder mit den Reaktorgiften derart gewählt werden, daß sich eine solche Abnahme der Steuer- oder Regeltärke mit dem Abbrand ergibt, die mit der Abnahme der Überschußreaktivität mit dem Abbrand des Kernbrennstoffes übereinstimmt.Reactor core. The radius, the density, the number can therefore be used ind the distribution of the cylinders with the reactor poisons was chosen in this way be that such a decrease in the control or regulating strength results with the burn-up, that with the decrease in the excess reactivity coincides with the burn-up of the nuclear fuel.

venn erfindungsgemäß die abbrennbaren Reaktorgifte räumlich so verteilt werden, daß sich während einer Betriebsperiode eine stationäre Leistungsverteilung ergibt, dann sind sowohl die anfängliche, durch das Reaktorgift hervorgerufene Regel- oder Steuer-venn according to the invention, the burnable reactor poisons spatially so are distributed so that there is a steady power distribution during an operating period, then both the initial, regulation or control elements caused by the poison

tärke k . als auf das Abbrandintervall E, der örtlichen Leipi bstrength k. than on the burn-up interval E, the local Leipi b

stungsdichte P proportional. Darüber hinaus ist die örtliche Leistungsdichte P dem Örtlichen Neutronenfluß 0 direkt proportional. s gilt also:power density P proportional. In addition, the local power density P is directly proportional to the local neutron flux 0. So s applies:

15)15)

16) Tr = C.P = CJZ)
ob (
16) Tr = CP = CJZ)
whether (

In diesen beiden Ausdrücken bedeuten Cu bis C„ Proportionalitätskonstanten. In these two expressions, Cu to C mean “constants of proportionality.

Die vorstehend aufgeführten Gleichungen sind entwickelt worden, um die Grundlagen der Erfindung aufzuzeigen, und sie sollen anschließend auf ein spezielles Ausführungsbeispiel angewendet werden. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß zur Berechnung eines wirklichen Reaktors wesentlich genauere analytische Methoden angewendet werden müssen. Wie bereits erwähnt wurde, beruhen aie bereits angegebenen Gleichungen auf den folgenden Annahmen: a) Durch die Anwesenheit der Zylinder mit Reaktorgiften wird der neutronenfluß nur unwesentlich gestört; b) die Zylinder mit Reaktorgiften liegen so weit voneinander entfernt, daß sie isoliert betrachtet werden können und auch nicht gegenseitig in ihrem Schatten liegen; c) der makroskopische wirkungsquerschnitt und die Dichte der heaktorgifte sind so groß, daß sie gegenüber den Neutronen praktisch schwarz sind und sich somit selber abschirmen;The equations listed above were developed to demonstrate the principles of the invention and will be used subsequently can be applied to a specific embodiment. It should be noted, however, that for calculation In a real reactor, much more accurate analytical methods must be used. As already mentioned, are based aie the equations already given on the following assumptions: a) The presence of the cylinders with reactor poisons is the neutron flow disturbed only insignificantly; b) the cylinders with reactor poisons are so far apart that they can be viewed in isolation and also not mutually within yours Shadows lie; c) the macroscopic effective cross-section and the The densities of the heaktorgotoxins are so great that they are compared to the neutrons are practically black and thus shield themselves;

909838/1028909838/1028

und d), der totale Neutronenabsorptionsquerschnitt des Kernes bleibt während des Abbrandes praktisch konstant. Es mag Fälle geben, in denen Abweichungen von diesen idealisierten Voraussetzungen vorkommen, und es mag erwünscht sein, die Größe und die .Richtung dieser Abweichungen abzuschätzen, um die richtigen Korrekturfaktoren zu gewinnen.and d), the total neutron absorption cross-section of the core remains practically constant during the burn-up. There may be cases in which deviations from these idealized conditions occur, and it may be desirable, the size and the .Direction estimate these deviations in order to obtain the correct correction factors.

So beruht beispielsweise die Gleichung 6) auf der Annahme, daß die Zylinder mit dem Reaktorgift so klein sind, daß sie den Neutronenfluß nicht merklich stören. Wenn man den Neutronenfluß aus einem homogenen, unendlichen Medium auf Grund der bekannten Diffusionstheorie berechnet, erhält man als Ergebnis:For example, equation 6) is based on the assumption that the cylinders containing the poison are so small that they prevent the neutron flux not noticeably disturb. If one considers the neutron flux from a homogeneous, infinite medium on the basis of the well-known diffusion theory calculated, the result is:

17) J = 0/417) J = 0/4

4 D/L4 D / L

Δ + Δ +

K0(r/L)K 0 (r / L)

= (0/4) g= (0/4) g

Hierin bedeuten: D den Diffusionskoeffizienten der thermischen Neutronen, L die Diffusionslänge der thermischen Neutronen, KHere: D denotes the diffusion coefficient of the thermal neutrons, L the diffusion length of the thermal neutrons, K

id K. Besselfunktionen, /I die inverse logarithmische Ableitung des Flusses 0 an der Oberfläche des Zylinders und r den zeitabhängigen Radius des Zylinders.id K. Bessel functions, / I the inverse logarithmic derivative of the flow 0 on the surface of the cylinder and r the time-dependent radius of the cylinder.

Der in Klammern gesetzte Term, der mit :;g'; bezeichnet ist, beschreibt nun die Abweichung des Neutronenstromes J vom idealen Wert 0/4, wie er durch die Gleichung 6) gegeben ist. Wie nun dieser Term g sich in Abhängigkeit vom Zylinderradius ändert, ist für representative Werte von L und D in der Figur 10 graphisch dargestellt. Wie man sieht, führt die Gleichung 6) auf eine Abschätzung des Neutronenflusses, die für einen Zylinder mit Reaktorgiften mit einem Durchmesser von etwa 1 cm um etwa 50$ zu hoch liegt. Die Reaktorgiftzylinder mit größerem Durchmesser neigen daher dazu, mit dem Abbrand schneller als die Abnahme des Zylinderdurchmessers zu verarmen.The term in brackets that with:; g '; now describes the deviation of the neutron flux J from the ideal value 0/4, as given by equation 6). How this term g changes as a function of the cylinder radius is shown graphically in FIG. 10 for representative values of L and D. As you can see, equation 6) leads to an estimate of the neutron flux that is about 50 $ too high for a cylinder with reactor poisons with a diameter of about 1 cm. The larger diameter reactor poison cylinders therefore tend to become impoverished with the burnup faster than the decrease in cylinder diameter.

Auf der anderen Seite beruht die Gleichung 8) auf der Annahme, daß das abbrennbare Reaktorgift gegenüber Neutronen vollständig schwarz ist. Eine Abweichung von dieser Annahme bedeutet, daß die Neutronen in einem gewissen Umfang in den Zylinder mit Reaktorgift eindringen können, so daß die Neutronenabsorption zu Beginn einer Betriebsperiode größer als am Ende einer Betriebsperiode ist. Dieser Effekt wirkt dem Einfluß größerer Zylinderradien entgegen, der gerade diskutiert worden ist, so daß sich diese beiden effekte gegenseitig aufheDen können.On the other hand, equation 8) is based on the assumption that the combustible reactor poison is complete with respect to neutrons is black. A deviation from this assumption means that the neutrons to a certain extent in the cylinder with reactor poison can penetrate, so that the neutron absorption at the beginning of an operating period is greater than at the end of an operating period is. This effect counteracts the influence of larger cylinder radii, which has just been discussed, so that these two effects can cancel each other out.

Der Neutronenabsorptionsquerschnitt der meisten Materialien ist der Neutronengeschwindigkeit umgekehrt proportional. Die Selbstabschirmung ist daher für höher energetische Neutronen geringer, aber auf der anderen Seite ist der Bruchteil der höher energetischen Neutronen, die von den Reaktorgiften eingefangen werden, sowieso gering. · .The neutron absorption cross section of most materials is inversely proportional to the neutron velocity. The self-shielding is therefore lower for higher energetic neutrons, but on the other hand is the fraction of the higher energetic ones Neutrons captured by the reactor poisons are low anyway. ·.

jiin anderer Faktor, der beim Aufstellen der vorstehenden Beziehungen nicht berücksichtigt wurde, ist der Einfluß der Zylinaer-•stirnflachen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einfluß der Stirnflächen der Zylinder mit den Reaktorgiften jedoch verhältnismäßig klein, da die Länge dieser Zylinder im Vergleich mit ihren Durchmessern sehr groß ist,jiin another factor to consider in establishing the above relationships was not taken into account, is the influence of the cylindrical • end faces. In the illustrated embodiment, however, the influence of the end faces of the cylinders with the reactor poisons is relatively small, since the length of these cylinders is very large compared to their diameters,

Nun soll die Verteilung des abbrennbaren Reaktorgiftes innerhalb aes gesamten Reaktorkernes betrachtet werden. In realisierten Kernreaktoren ändern sich der Neutronenfluß und damit die Leistungsdichte sowie die Reaktivitätsregelung innerhalb des Reaktorkernes sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Im Idealfall sollte das Reaktorgift, das zur Regelung der Überschußreaktivität im Kern angeordnet wird, diese Überschußreaktivität an jeder Stelle im Reaktorkern ausp^leichen. So stellt beispielsweise in der Figur 9 eine Kurve k . die anfängliche Stärke der Reaktivitätsregelung dar, die das Reaktorgift auf einer axialen Linie durch den Kern hindurch aufbringen muß. Um somit die Verteilung zu erreichen, die durch die Kurve k . dargestellt ist,The distribution of the burnable reactor poison within the entire reactor core is now to be considered. In realized Nuclear reactors change the neutron flux and thus the power density as well as the reactivity regulation within the reactor core both in the axial and in the radial direction. Ideally, the reactor poison should be used to regulate the excess reactivity is arranged in the core, this excess reactivity is balanced out at every point in the reactor core. For example in FIG. 9 a curve k. the initial strength of reactivity control, which the reactor poison on an axial Must apply line through the core. Thus, in order to achieve the distribution represented by the curve k. is shown

90 9 8 38/T02 890 9 8 38 / T02 8

müßte die Verteilung des Reaktorgiftes kontinuierlich variiert werden. Nun kann man das Ziel der Erfindung, nämlich eine stationäre Leistungsverteilung und einen vollständigen Abbrand des ReaKtorgiftes praktisch auch dadurch erreichen, daß die ideale Verteilung des Reaktorgiftes durch eine Stufenfunktion angenähert wird. Hierzu wird der Reaktorkern in Zonen eingeteilt, und in jeder Zone wird das Reaktorgift so angeordnet, wie es den mittleren Eigenschaften dieser Zone entspricht. i<lan nimmt also an, daß aer Reaktorkern aus einer Anzahl von Elementarvolumina besteht, aus dem mittleren Heutronenflufe und der mittleren Überschußreaktivität am Beginn einer Betriebsperiode innerhalb eines solchen tlementarvolumens kann man aann für jedes tlementarvolumen die verteilung und die Dichte des Reaktorgiftes nach den bereits erörterten Grundlagen bestimmen.the distribution of the poison would have to be varied continuously. Now you can get the aim of the invention, namely a stationary Power distribution and a complete burn-off of the reactor poison can also be achieved practically by the fact that the ideal Distribution of the reactor poison is approximated by a step function. For this purpose, the reactor core is divided into zones, and into In each zone the poison is arranged in the same way as the central one Properties of this zone corresponds. i <lan therefore assumes that the reactor core consists of a number of elementary volumes, from the mean heutron level and the mean excess reactivity at the beginning of an operating period within such a tlementary volume, the distribution and density of the reactor poison according to those already discussed Determine the basics.

in anderer Faktor, der berücksichtigt werden muß, besteht im Nachfüllen des Kernbrennstoffes sowie im Schema, was zum Nachfüllen des Brennstoffes verfolgt wird, wenn man am Ende einer Betriebsperiode alle Erennstofbündel 20 (Figur 2) austauscht, können alle Brennstoffbündel abbrennbare Reaktorcifte enthalten, mn ist es jedoch üblich, beim Nachladen des Kernreaktors nur jeweils ein Viertel aer Brennstoffbündel auszutauschen. In diesem Falle kann das Reaktorgift in den neuen Brennstoffbündeln ". angeordnet werden, die dann in radialer Richtung richtig vereilt werden müssen.Another factor that needs to be taken into account is the refilling of the nuclear fuel as well as the scheme of what to refill of fuel is pursued if you end up with a Operating period replaces all fuel bundles 20 (Figure 2), all fuel bundles can contain burnable reactor pens, However, mn it is common when reloading the nuclear reactor only replace a quarter of each fuel bundle. In this In the event, the reactor poison can be placed in the new fuel bundle ", which then properly divides in the radial direction Need to become.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Reakorgift in fünf axialen und in zwei radialen Zonen verteilt worden, also in zehn Elementarvolumina des Reaktorkerns, wie es schenatisch in den Figuren HA und HB dargestellt ist. Wie bereits erörtert wurde, ist in der Figur 4 A eine stationäre, axiale leistungsverteilung P dargestellt worden. Die Leistungsvertei-In the illustrated embodiment of the invention, the reactor is poison has been distributed in five axial and two radial zones, that is, in ten elementary volumes of the reactor core, as it is shown in the diagram is shown in Figures HA and HB. As already discussed, in FIG. 4 A is a stationary, axial one power distribution P has been shown. The power distribution

lung ist der Neutronenflußverteilung direkt proportional. In der Figur 8a ist daher die stationäre Neutronenflußverteilung 0 dargestellt, die zur stationären Leistungsverteilung P aus Figur 4a gehört. Die Figur 8B zeigt die entsprechende stationäredevelopment is directly proportional to the neutron flux distribution. In the FIG. 8a therefore shows the steady-state neutron flux distribution 0, which leads to the steady-state power distribution P out Figure 4a belongs. Figure 8B shows the corresponding stationary

909 8 3 8/1028909 8 3 8/1028

_23- .9091 0 9_23- .9091 0 9

geutronenflußverteilung 0 in radialer Richtung. In der Figur SA ist nun in gestrichelten Linien dargestellt worden, wie die jeutronenflußverteilung 0 durch eine Stufenfunktion angenähert ist3 und zwar in fünf axialen Zonen la bis 5a. Die Stufenapprocimation der radialen weutronenflußverteilung 0 ist in derNeutron flux distribution 0 in the radial direction. In the figure SA it has now been shown in dashed lines how the neutron flux distribution 0 is approximated by a step function 3 , namely in five axial zones la to 5a. The step approximation of the radial neutron flux distribution 0 is in the

S χ S χ

'igur SB gestrichelt dargestellt worden, und diese Approximation vurde in zwei Zonen Ir und 2r durchgeführt. Man kann daher jeder einzelnen der zehn Zonen, die dargestellt sind, eine axiale und eine radiale Koordinate zuordnen, also beispielsweise der ober-'igur SB has been shown in dashed lines, and this approximation v was carried out in two zones Ir and 2r. One can therefore each of the ten zones that are shown, an axial and assign a radial coordinate, for example the upper

ten, außen liegenden Zone die Koordinaten (5a, 2r), wie es in den Figuren HA und HB dargestellt ist.th, outer zone, the coordinates (5a, 2r), as shown in Figures HA and HB.

vie man den mittleren weutronenfluß in jeder dieser Zonen aus äen Eigenschaften des Reaktorkernes analytisch bestimmen kann, ist bekannt. Wenn man für den Zylinder mit Reaktorgift einen anfänglichen Radius r annimmt, und wenn man sich eine Abbrandzeithow to find the mean weutronic flux in each of these zones It is known that the properties of the reactor core can be determined analytically. If you have an initial one for the cylinder with reactor poison Radius r assumes, and if you look at a burn time

. vorgibt, ist die Dichte des Reaktorgiftes, die erforderlich ist, um innerhalb dieser Zeit t, das Reaktorgift vollständig aufzubrauchen, durch die Gleichung 10) gegeben, die wie folgt umgeschrieben werden kann:. is the density of the poison that is required is, in order to use up the reactor poison completely within this time t, by equation 10), which is as follows can be rewritten:

TSt.TSt.

In diesem Ausdruck bedeutet "0 den mittleren Neutronenfluß in der Zone bei voller Reaktorleistung.In this expression, "0 means the mean neutron flux in the Zone at full reactor power.

nie bereits erwähnt, ist in der Figur 4B eine stationäre Reaktivitätsverteilung κ dargestellt, die zur Erzielung der stationä-never already mentioned, there is a stationary reactivity distribution in FIG. 4B κ shown, which is necessary to achieve the stationary

ren L·eistuncsverteilung P aus Figur 4A erforderlich ist. Dieren power distribution P from FIG. 4A is required. the

anfängliche, ungesteuerte Reaktivität des Reaktorkernes ist mit κ., oezeichnet worden, während k. die Differenz zwischen der ursprünglichen Reaktivität und aerjenigen Reaktivität bedeutet, uie von den Steuer-- oder Regelstäben des Kernreaktors zwecks /inderung des Leistungspegels des Reaktors oder zum Anfahren beziehungsweise Abschalten gesteuert oder geregelt werden soll.initial, uncontrolled reactivity of the reactor core is with κ., o been drawn, while k. the difference between the original reactivity and that reactivity means uie from the control or regulating rods of the nuclear reactor for the purpose of changing the power level of the reactor or for start-up or respectively Shutdown is to be controlled or regulated.

909838/102 8909838/102 8

9Ü91099Ü9109

(Der Reaktivitätsregelbereich der Steuerstäbe liegt üblicherweise in der Größenordnung von 2% Überschußreaktivität.)(The reactivity control range of the control rods is usually on the order of 2% excess reactivity.)

Die ursprüngliche Reaktivität} die durch das abbrennbare Reaktorgift geregelt beziehungsweise gesteuert werden muß, ist somit derThe original reactivity } which has to be regulated or controlled by the burnable reactor poison is thus the

Unterschied zwischen kg undDifference between k g and

Dieser Unterschied ist in derThat difference is in the

Figur 9 als Kurve k . dargestellt, die die Verteilung derFIG. 9 as curve k. shown showing the distribution of the

pipi

Reaktivitätsregelstärke bedeutet. Diese Verteilungskurve k . kann genau so wie die Neutronenflußverteilung aus der Figur 8A mit Hilfe einer Stufenfunktion approximiert werden, wobei man die mittlere Reaktivität einer jeden Zone zu Grunde legt. Dieses ist in der Figur 9 gestrichelt dargestellt worden. Für jede Zone können der Mittelwert der Reaktivität und der Mittelwert der totalen Neutronenabsorption aus den Eigenschaften des Reaktorkernes auf bekannte Weise analytisch ermittelt werden. Die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgiften pro Einheitsquerschnittsfläche des Reaktorkernes kann aus Gleichung 11) bestimmt werden, die sich folgendermaßen umschreiben läßt:Reactivity rule strength means. This distribution curve k. can be used just like the neutron flux distribution from FIG. 8A Can be approximated using a step function based on the average reactivity of each zone. This is has been shown in dashed lines in FIG. For each zone you can the mean value of the reactivity and the mean value of the total neutron absorption from the properties of the reactor core be determined analytically in a known manner. The number of cylinders with poisons per unit cross-sectional area of the The reactor core can be determined from equation 11), which can be rewritten as follows:

«kpi« K pi

I9)I 9 )

Um nun Konstruktionsdaten für Kernreaktoren gewinnen zu können, wird es im allgemeinen erforderlich sein, Iterationsrechnungen durchzuführen und diesen Iterationsrechnungen die Wahl des anfänglichen Zylinderradius r mit dem Reaktorgift, die Dichte J des Reaktorgiftes und die Anzahl T der Zylinder mit Reaktorgift zu Grunde zu legen. Außerdem stellt die Annahme, daß die Zylinder mit dem Reaktorgift selbstabschirmend sein sollen, eine untere Grenze für die Dichte des Reaktorgiftes dar, und diese untere Grenze ist materialabhängig. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Maß der Selbstabschirmung dem Produkt aus der Dichte und dem Absorptionsquerschnitt desjenigen Materials proportional ist, das als Reaktorgift verwendet wird, und der Absorptionsquerschnitt ist materialabhängig. Um ein bestimmtes Maß an Selbstabschirmung zu erreichen, kann man die Dichte des Reaktorgiftes um so geringer wählen, je höher der Neutronenabsorptionsquerschnitt des Re-In order to be able to obtain construction data for nuclear reactors, it will generally be necessary to carry out iterative calculations and to base these iterative calculations on the choice of the initial cylinder radius r with the poison, the density J of the poison and the number T of cylinders with the poison. In addition, the assumption that the cylinders with the poison should be self-shielding represents a lower limit for the density of the poison, and this lower limit is material-dependent. The reason for this is that the degree of self-shielding is proportional to the product of the density and the absorption cross-section of the material which is used as a poison in the reactor, and the absorption cross-section is dependent on the material. In order to achieve a certain degree of self-shielding, the density of the reactor poison can be selected to be lower, the higher the neutron absorption cross-section of the re-

909838/1028909838/1028

Ί 9Ü9109Ί 9Ü9109

aktorgiftes ist. "Wenn man sich als Reaktorgift ein bestimmtes Material oder Isotop vorgibt, ist, wie aus Gleichung 10) hervorgeht, durch die Vorgabe einer unteren Grenze für die Dichte des Reaktorgiftes gleichzeitig eine obere Grenze für den anfänglichen Zylinderradius r gegeben.actuator poison is. "If you consider a certain reactor poison Material or isotope specifies is, as can be seen from equation 10), by specifying a lower limit for the density of the poison at the same time given an upper limit for the initial cylinder radius r.

Je nach den speziellen Anforderungen, die erfüllt werden sollen, sind die verschiedensten Anordnungen für die Zylinder mit Reaktorgift möglich. So kann man beispielsweise das Reaktorgift in getrennten Stäben oder Elementen anordnen, man kann den Kernbrennstoff kreisringförmig anordnen und die Zylinder mit dem Reaktorgift dann in den Kernbrennstoff einsetzen, man kann stabförmige 'reilchen aus Reaktorgift im Kernbrennstoff verteilen, und man kann auch beispielsweise das Reaktorgift molekular im Kernbrennstoff dispergieren.Depending on the special requirements that are to be met, there are many different arrangements for the cylinders with the reactor poison possible. For example, you can arrange the reactor poison in separate rods or elements, you can put the nuclear fuel Arrange in a circular ring and then insert the cylinder with the poison into the nuclear fuel, you can use rod-shaped 'Rilchen from the reactor poison in the nuclear fuel, and one can also, for example, the reactor poison molecularly in the nuclear fuel disperse.

Als Keaktorgifte können verschiedene Materialien verwendet werden, üs seien hier nur Bor, Samarium und Gadolinium erwähnt. Gadolinium erscheint besonders günstig, da sein Neutronenabsorptionsquerschnitt besonders hoch ist, so daß schon mit verhältnismäßig niedrigen Gadoliniumkonzentrationen einen gute Selbstabschirmung erreicht, wird. Außerdem nimmt der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Gadolinium für Neutronen, deren Energie die tnermische Energie übersteigt, sehr rasch ab, so daß der Einfang hochenergetischer Neutronen durch das Gadolinium sehr gering ist. Various materials can be used as keactor poisons, Only boron, samarium and gadolinium are mentioned here. Gadolinium appears particularly favorable, since its neutron absorption cross-section is particularly high, so that it is already relatively good self-shielding is achieved at low gadolinium concentrations. In addition, the neutron absorption cross-section increases of gadolinium for neutrons, the energy of which exceeds the thermal energy, very quickly, so that the capture of high-energy neutrons by the gadolinium is very low.

Nun soll ein praktisches Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Bei einem Kernreaktor, der 464 Brennstoffbündel enthielt, wurden in 106 Brennstoffbündel abbrennbare Reaktorgifte verwendet. Jedes Brennstoffbündel enthielt 36 Brennstoffstäbe. Als Reaktorgift wurde Gadolinium ausgewählt, das in der Form von Gadoliniumoxyd GdJJ zum Einsatz kam. Das pulverförmige Gadoliniumoxyd wurde mit dem als Brennstoff verwendeten pulverförmigen Uranoxyd gemischt, und aus dieser Mischung wurden Kernbrennstoffpillen hergestellt, mit denen Brennstoffstäbe gefüllt wurden. Bei den geringen Gadoliniumoxyd-Konzentrationen, die verwendet wurden (zwischen 0.95 und 1.55 Gewichts-%) stellten das GadoliniumoxydA practical embodiment will now be described. In a nuclear reactor containing 464 fuel bundles, burnable reactor poisons were used in 106 fuel bundles. Each fuel bundle contained 36 fuel rods. Gadolinium, which was used in the form of gadolinium oxide GdJJ , was selected as the reactor poison. The powdered gadolinium oxide was mixed with the powdered uranium oxide used as fuel, and from this mixture nuclear fuel pills were made, with which fuel rods were filled. At the low concentrations of gadolinium oxide that were used (between 0.95 and 1.55% by weight), it represented gadolinium oxide

90 98 38/102890 98 38/1028

1ÜU91091ÜU9109

und das Urandioxyd ÜO? eine feste Lösung dar, so uaß das Gd„CL, im U0„ vollständig molekular dispergiert war, so aaß keine Agglomerate von Gd?O gebildet wurden. Der effektive Radius r des Zylinders mit Reaktorgift glich daner anfänglich dem Radius desand the uranium dioxide ÜO ? represents a solid solution, so that the Gd "CL, was completely molecularly dispersed in the U0", so there were no agglomerates of Gd ? O were formed. The effective radius r of the cylinder with poison was then initially equal to the radius of the

rennstoffStabes j der den Kernbrennstoff und das Reaktorgift gemeinsam enthielt. Xm hier beschriebenen Beispiel betrug dieser Kadius etwa 6,35 nun. ιΊϊό diesem anfänglichen Kadius und mit aer geringen Dichte, in der das Gadolinium vervrendet wurde, trat bereits praktisch eine Selbstabschirmung des Reaktorgiftes ein.fuel rod j of the nuclear fuel and the reactor poison contained in common. In the example described here, this was Cadius about 6.35 now. ιΊϊό this initial cadius and with aer low density, in which the gadolinium was used, practically a self-shielding of the reactor poison occurred.

In den verschiedenen Zonen, die in der Figur HA und HB dargestellt sind, müssen die Dichte des Reaktorgiftes und die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgift geändert werden. Dieses wurde durch eine Änderung derjenigen Brennstoffstäbe erreicht, die Reaktorgifte enthielten, und außerdem durch eine Änderung der Konzentraion der Reaktorgifte innerhalb der ßrennstoffstäbe.In the different zones shown in the figure HA and HB the poison density and the number of poison cylinders must be changed. This was through achieved a change in those fuel rods that poisons the reactor contained, and also by changing the concentration of the reactor poisons within the fuel rods.

Um die richtige Verteilung der Reaktorgifte zu erreichen, wurden wei verschiedene Arten von Reaktorgiften enthaltenden Brennstoffbündeln verwendet. In der Mitte des Reaktorkerns, in der die Neutronenfluftdichte hoch ist, wurden Brennstoffbündel mit einer verhältnismäßig hohen Konzentration an Reaktorgiften verwendet. Diee Brennstoffbündel sollen im folgenden als "H'4'"-Bündel bezeichnet \rerden. Sie sind in den Figuren 12A und 12B dargestellt. In den Randgebieten des Reaktorkernes, in denen der Neutronenfluß gerin-In order to achieve the proper distribution of the poisons, two different types of poison fuel bundles have been used. In the middle of the reactor core, where the neutron air density is high, fuel bundles with a relatively high concentration of reactor poisons were used. These fuel bundles are referred to as "H ' 4 '" bundles in the following. They are shown in Figures 12A and 12B. In the peripheral areas of the reactor core where the neutron flux is low

er ist, wurden Brennstoffbündel verwendet, in denen die Konzentration der Reaktorgifte geringer war. Diese Bündel werden im folgenden als ':"L·'-Bündel bezeichnet, und sie sind in den Figuren 13A und 13B dargestellt.it is, fuel bundles were used in which the concentration of the reactor poisons was lower. These bundles are hereinafter referred to as ': "L ·' bundles and are shown in Figures 13A and 13B.

Die Figur 12A zeigt die axiale Verteilung des Gadoliniums in drei verschiedenen., Reaktorgift enthaltenden Stäben A, B und C, die in äen "H"-Brennstoffbündeln verwendet werden, während die Figur 12B eine Draufsicht auf ein solches ''!!"-Bündel ist, aus der herorgeht, wie die Stäbe mit dem Reaktorgift in einem solchen brennitoffbündel radial angeordnet sind.FIG. 12A shows the axial distribution of gadolinium in three different., Poison-containing rods A, B and C, which are shown in FIG A "H" fuel bundle can be used throughout the figure 12B is a top plan view of such a "!!" bundle showing like the rods with the poison in such a bundle of fuel are arranged radially.

909838/ 1028909838/1028

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

_27_ ι yuy ί 09_ 27 _ ι yuy ί 09

Die Figur 13A zeigt nun aie axiale Verteilung des Reaktor gift es in den beiuen ,Stäben υ und .c, uie in aen L:i-Bündeln verwendet ■jeraeri, währenu in der Figur 13B aargestellt ist, xfie uie beiaen t.-ibe D und ;:, radial in einem solchen ;-L;i-ßrennstoffbündel angeordnet sind. Figure 13A now shows aie axial distribution of the reactor poison it in the beiuen, υ rods and .c, uie in aen L: i -Bündeln used ■ jeraeri, währenu in the figure 13B is aargestellt, xfie uie beiaen t.-ibe D and;:, radial in such a ; -L ; i -ßrennstoffbündel are arranged.

as sei bemerkt, daß nur drei verschiedene Dichten an abbrennbarem Reaktorgift benötigt werden. In der Figur 14 ist gezeigt, wie die .brennstoffstäbe nach den Figuren HA und 12A aufgebaut sind. Sie bestehen aus einer röhrenförmigen Hülse 131 j die Kernbrennstoff in einer Anzahl von zylindrischen firennstoffpillen 132 enthält.As should be noted that only three different densities of burnable Reactor poison are needed. FIG. 14 shows how the fuel rods according to FIGS. HA and 12A are constructed. she consist of a tubular sleeve 131 j containing nuclear fuel in a number of cylindrical fuel pellets 132.

ie Verteilung des Reaktorgiftes., wie sie in den Figuren llA und 12A dargestellt ist, wird aadurcn erreicht5 d.8.Q> in die verschiedenen axialen Zonen der Brennstoffhülsen 131 die richtige Anzahl von trennstoffpillen mit der passenden Konzentration an Reaktorgiften eingefüllt wird. Da nur drei verschiedene Konzentrationen an Reaktorgiften benötigt werden, wird die Herstellung von Brennstoifpiilen, aie Reaktorgift entnalten, sehr vereinfacnt.The distribution of the reactor poison, as shown in FIGS. 11A and 12A, is achieved aadurcn 5 d.8.Q> the correct number of fuel pills with the appropriate concentration of reactor poisons is poured into the various axial zones of the fuel sleeves 131. Since only three different concentrations of reactor poisons are required, the production of fuels, which contain reactor poison, is very simplified.

Iru vorliegenden Beispiel sind von den lüo reaktorrriftenthaltenaen -brennstoffbündeln l}6 sogenannte -1U1"-Bündel mit einer hohen Reaktorgiftkonzeritration, die in der inneren radialen Zone Ir ;leiciiförinirT verteilt sind, (siehe hierzu Figuren HA und HB). üie restlicnen ^O Brennstoffbündel sind sogenannte '^"-Bündel mit einer niedrigen Reaktorgiftkonzentration, die in der äußeren riaaialzone kv gleichi'oriiiir verteilt sind.Iru present example of the lüo reaktorrriftenthaltenaen -brennstoffbündeln l} so-called 6 - 1 U 1 "-bundle with a high Reaktorgiftkonzeritration, in the inner radial zone Ir;. LeiciiförinirT are distributed, (see Figures HA and HB) üie restlicnen ^ O fuel bundles are so-called '^' bundles with a low concentration of poison in the reactor, which are distributed equally in the outer rial zone kv.

iilo Beispiel soll nun angegeben werden, wie die Anzahl der Zylinuer mit ReaKtörgiften sowie die Konzentration in diesen Zylindern in der Zone (3a, Ir) (Figuren HA und HB) aus den Gleichungen Ib und 19 bestimmt werden können: Wenn der mittlere weutronenfluf in der Zone (3a, Ir) bei voller Reaktorleistung 0 = 2,5 χ IU ^ j:eutronen/ciiii: - see betrugt, und wenn eine Betriebsperiode bei der rJennleistung 1 Jahr betragen soll, dann ist t, gleichiilo example should now be specified, such as the number of cylinders with reactive poisons and the concentration in these cylinders in the zone (3a, Ir) (Figures HA and HB) from the equations Ib and 19 can be determined: If the mean weutronenfluf in zone (3a, Ir) at full reactor power 0 = 2.5 χ IU ^ j: eutronen / ciiii: - see fraud, and if an operating period at the rated output should be 1 year, then t is the same

7 2ü 27 2ü 2

üs'(lj χ 3 χ 10 see und 0 t = b,l χ 10 Neutronen/cm . wenn der anfängliche Radius aes Zylinders mit dem Reaktorgift 0,635 cm ü s ' ( l j χ 3 χ 10 see and 0 t = b, l χ 10 neutrons / cm. if the initial radius of a cylinder with the poison is 0.635 cm

909838/1028 BADORIÖtNAL ' ? 909838/1028 BADORIÖtNAL ' ?

Dieses ist die erforderliche Konzentration an Gadolinium mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt, das im natürlichen Gadolinium mit einer prozentualen Wahrscheinlichkeit von 30,4 % vorhanden ist. Die erforderliche Dichte Q an natürlichem Gadolinium be-This is the required concentration of gadolinium with a high neutron capture cross-section, which is present in natural gadolinium with a percentage probability of 30.4 % . The required density Q of natural gadolinium is

J η J η

trägt dahertherefore carries

Die entsprechende Dichte der Uranatome im UO beträgt etwa 2,4 χ 10
daher
The corresponding density of uranium atoms in the UO is about 2.4 χ 10
therefore

■28-■ 28-

beträgt, berechnet sich die erforderliche Dichte des Reaktorgiftes aus Gleichung 18) wie folgt:the required density of the reactor poison is calculated from equation 18) as follows:

6,1 χ 1020 20 6.1 χ 10 20 20

_ = _;__—_.£ c^2,4 x 10 Atome/ccm_ = _; __ - _. £ c ^ 2.4 x 10 atoms / ccm

0t,0t,

_ 2,4 χ 10_ 2.4 χ 10

2020th

20
10 Atome/ccm
20th
10 atoms / cc

Das Gewichtsverhältnis zwischen Gd2O und UO2 beträgtThe weight ratio between Gd 2 O and UO 2 is

7,9 x 10
2,4 χ 10
7.9 x 10
2.4 χ 10

2020th

2222nd

238 + 2 (16)238 + 2 (16)

oder etwaor something

Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel 'der Radius des Zylinders mit dem Reaktorgift ziemlich groß ist ( 0,635 cm), führt die Gleichung 18) auf einen zu großen Neutronenstrom während des Anfangs einer Betriebsperiode in diesen Zylinder hinein. Der Gewichtsanteil· von 2,2 % muß daher um den Paktor g aus Gleichung 17) vermindert werden.Since, in the present exemplary embodiment, the radius of the cylinder with the poison is quite large (0.635 cm), equation 18) leads to an excessively large neutron flow into this cylinder during the beginning of an operating period. The weight fraction · of 2.2 % must therefore be reduced by the factor g from equation 17).

Aus der Figur 10 geht hervor, daß der Faktor g für einen Radius von 0,6-35 cm etwa 0,7 beträgt. Multipliziert man nun die 2,2$ mit 0,7, so erhält man 1,54 %s und dieser Wert stimmt mit der Angabe von 1,55 % für die Zone (3a, Ir) aus Figur 12A gut überein.It can be seen from FIG. 10 that the factor g is approximately 0.7 for a radius of 0.6-35 cm. If you now multiply the $ 2.2 by 0.7, you get 1.54 % s and this value agrees well with the specification of 1.55 % for the zone (3a, Ir) from FIG. 12A.

Die Anzahl T der Zylinder mit Reaktorgiften, die pro qcm Reaktorquerschnittsfläche erforderlich ist, um in der Zone (3a, Ir) die fängliche Regelstärke k . (Figur 9) hervorzurufen, läßt sich aus der Gleichung 19) ableiten. Wenn beispielsweise der AbbrandThe number T of cylinders with reactor poisons per square cm of reactor cross-sectional area is required to achieve the catchy control strength k in zone (3a, Ir). (Figure 9) to cause, can from equation 19). For example, if the burn

909838/ 1028909838/1028

ι y υ y ί υ yι y υ y ί υ y

in dieser Zone QlOO Megawatt-Tage pro Tonne betragen soll, nimmt die örtliche Reaktivität mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,015/1000 Megawatt-Tagen pro Tonne ab. Die zu Beginn erforderliche Regelstärke für die Reaktivität k . beträgt daher etwa 4,1 ( 0,015) = 0,0615. Der makrokpopische Querschnitt beträgt daher etwa^^ 0,05 cm . Hieraus folgt aus der Beziehung 19)is supposed to be QlOO megawatt-days per ton in this zone the local reactivity decreases at a rate of about 0.015 / 1000 megawatt-days per ton. The one required at the beginning Strength of rules for reactivity k. is therefore about 4.1 (0.015) = 0.0615. The macropopic cross-section is therefore about ^^ 0.05 cm. From this it follows from relation 19)

T = 2(0^0*0615) = 3jl x ΙΟ"3 Zylinder/qcmT = 2 (0 ^ 0 * 0615) = 3j lx ΙΟ " 3 cylinders / sqcm

Im vorliegenden Beispiel sind Zylinder mit Reaktorgift nur in etwa jedem Vierten Brennstoffbündel eingesetzt, und der Querschnitt eines jeden Brennstoffbündels beträgt eta b'50 qcm. Somit beträgt die Anzahl von Zylindern mit Reaktorgift in jedem Brennstoffbündel, in dem solche Zylinder verwendet werden, etwaIn the present example, cylinders with reactor poison are only roughly every fourth fuel bundle is used, and the cross-section of each fuel bundle is about 50 square centimeters. Thus amounts to the number of cylinders with poison in each fuel bundle, in which such cylinders are used, for example

4 (25) (2,51O2O5I χ 10"3) = 2 Zylinder pro Bündel.4 (25) (2.5 1 O 2 O 5 I χ 10 " 3 ) = 2 cylinders per bundle.

Dieses ist die Dichte der Zylinder mit Rektorgift in der, Zone 3a, Ir des vorliegenden Ausführungsbe-xspieles, wie es in Figur 12A dargestellt ist.This is the density of cylinders with rectal poison in the, zone 3a, Ir of the present exemplary embodiment, as shown in FIG 12A is shown.

In der oben beschriebenen Ausführungsform ist das abbrennbare Reaktorgift zylindrisch angeordnet worden, um dafür zu sorgen, daß die Regelstärke auf die gleiche Weise wie die Reaktivität großer Leistungsreaktoren liniear abnimmt. Wenn man jedoch für die abbrennbaren Reaktorgifte eine andere Anordnung wählt oder eine Kombination verschiedener Anordnungen verwendeta können auch Kurven von anderem Verlauf, die einen Reaktivitätsverlust beschreiben, angepaßt werden.. Wenn man beispielsweise das Reaktorgift als selbstabschirmende Kugeln anordnet, erfolgt die Abnahme der Reaktivitätsregelung zum Beginn einer Betriebsperiode schnelller als am Ende einer Betriebsperiode. Ordnet man dagegen das Reaktorgift als einen selbstabschirmenden dünnen Streifen oder Stab an, dann nimmt die Reaktivitätsregelung praktisch konstant mit dem Abbrand ab, nur findet dann eine prompte Abnahme der Regelstärke am Ende einer Betriebsperiode statt, wenn das Reaktorgift aufgebraucht istIn the embodiment described above, the burnable poison has been arranged cylindrically to cause the control strength to decrease linearly in the same way as the reactivity of large power reactors. However, when the burnable poisons selects a different arrangement or a combination of different arrangements used a can also curves from other course of which describe a loss of reactivity, be adapted .. If, for example, placing the reactor poison as self-shielded balls, the decrease takes place the Reaktivitätsregelung to Start of an operating period faster than at the end of an operating period. If, on the other hand, the reactor poison is arranged as a self-shielding thin strip or rod, then the reactivity control decreases practically constantly with the burnup, only then there is a prompt decrease in the control strength at the end of an operating period when the reactor poison has been used up

9098 38/10289098 38/1028

y υ y ι υy υ y ι υ

»30-»30-

Andere mögliche Anordnungen sind hohle Zylinder1 oder Röhren, Stäbe mit elliptischem Querschnitt oder auch Stäbe mit ebenen Seitenflächen wie beispielsweise Stäbe mit hexagonalem Querschnitt. I-ian kann auch verschieden große Teile abbrennbarer Reaktorgifte miteinander kombinieren, um einen vorgegebenen Zusammenhang
zwischen dem Aobrand und der Reaktivitätsrepelunr zu erreichen.
Other possible arrangements are hollow cylinders 1 or tubes, rods with an elliptical cross section or also rods with flat side surfaces such as rods with a hexagonal cross section. I-ian can also combine different sized parts of burnable reactor poisons with one another to create a given context
between the Aobrand and the Reaktivitätsrepelunr.

909838/1028909838/1028

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Claims (1)

PatentansprücheClaims Reaktorkern für einen Kernreaktor mit einer überschußreaktiität zum Beginn einer Betriebsperiode, so daß während einer voregebenen Betriebsperiode eine vorgegebene Reaktorleistung erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Einteilung des Reaktorkernes in mehrere Volumenzonen zumindest eine dieser Zonen abbrennbares Reaktorgift enthält, durch das zumindest ein Teil der Überschußreaktivität ge-
Reactor core for a nuclear reactor with an excess reactivity at the beginning of an operating period, so that a predefined reactor power can be generated during a predefined operating period, characterized in that
that when the reactor core is divided into several volume zones, at least one of these zones contains burnable reactor poison, through which at least part of the excess reactivity is
egelt ist, daß die Dichte des Reaktorgiftes so gewählt ist, daß das Reaktorgift selbstabschirmend ist, daß das Reaktorgift räumlich so angeordnet ist, daß die Abnahme seiner Regelstärke mit
dem Abbrand der Abnahme der Reaktivität des Kernbrennstoffes mit dem Abbrand proportional ist. daß weiterhin die anfängliche Oberfläche des Reaktorgiftes in jeder Reaktorgift enthaltenden VoIunenzone der zu regelnden Überschußreaktivität in dieser Zone
proportional ist, und daß die Anzahl der als Reaktorgift verwendeten Isotope so gewählt ist, daß das Reaktorgift am Ende einer
Betriebsperiode aufgebraucht ist.
is gelelt that the density of the reactor poison is chosen so that the reactor poison is self-shielding that the reactor poison is spatially arranged so that the decrease in its control strength with
the burn-up is proportional to the decrease in the reactivity of the nuclear fuel with the burn-up. that the initial surface of the poison in each poison-containing volume zone of the excess reactivity to be controlled in this zone
is proportional, and that the number of isotopes used as the poison is chosen so that the poison at the end of a
Operating period has been used up.
Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekenneichnet, daß als Reaktorgift Gadolinium verwendet ist.Reactor core according to Claim 1, characterized in that gadolinium is used as the reactor poison is. 3. Reaktorkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß" das Reaktorgift zylinderförmig angeordnet ist.3. reactor core according to claim 1 or 2, characterized in that that "the poison is arranged in a cylindrical shape. 4. Reaktorkern nach Anspruch 1, 2 oder 3j dadurch
gekennzeichnet, daß das Reaktorgift mit dem
Kernbrennstoff gemischt ist.
4. reactor core according to claim 1, 2 or 3j thereby
characterized in that the reactor poison with the
Nuclear fuel is mixed.
5. Reaktorkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift und der Kernbrennstoff eine feste Lösung bilden.5. reactor core according to claim 4, characterized in that the reactor poison and the nuclear fuel form a solid solution. 909838/1028909838/1028 ί y u y ι ο 9ί y u y ι ο 9 ö. Reaktorkern nach Anspruch 5S dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift in Form seines Oxydes verwendet ist.ö. Reactor core according to claim 5 S, characterized in that the reactor poison is used in the form of its oxide. 7. Reaktorkern nach Ansprucn 1,7. reactor core according to claims 1, dadurch gekennknown thereby zeichnetdraws daß die Dichte des Reaktorgiftes in jederthat the density of the reactor poison in each Reaktorgift enthaltenden Volumenzone in erster Näherung durch folgende Gleichung gegeben ist:Volume zone containing reactor poison is given as a first approximation by the following equation: 0 t0 t wobei P die Dichte der Reaktorgiftatome, r den anfänglichen Radius des Zylinders mit dem Reaktorgift, t die Dauer einer Betriebsperiode und 0 den Mittelwert des Neutronenflusses während einer Betriebsperiode bedeuten,where P is the density of the poison atoms, r is the initial radius of the cylinder with the poison, t is the duration of an operating period and 0 is the mean value of the neutron flux during an operating period, und daß die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgift in jeder Zone in erster Näherung durch folgende Gleichung gegeben ist:and that the number of cylinders with poison in each zone is given as a first approximation by the following equation: wobei T die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgift pro Einheitsquerwhere T is the number of cylinders with poison per unit cross schnittsfläche der Volumenzone, J[^ den totalen makroskopischen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen aller in der Volumenzone vorhandenen Materialien und k. den Mittelwert der anfänglichen örtlichen Reaktivität in der von dem abbrennbaren Reaktorgift zu regelnden Zone bedeuten.Sectional surface of the volume zone, J [^ the total macroscopic Absorption cross-section for thermal neutrons of all materials present in the volume zone and k. the mean of the initial local reactivity in the zone to be controlled by the burnable reactor poison. 909838/1028909838/1028
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