DE1921528C3 - Verfahren zur Bindung der Überschußreaktivität von Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bindung der Überschußreaktivität von Kernreaktoren mittels beweglicher Steuerstäbe und an bestimmter Position (Einsetzposition) in die Brennelementbündel einzeln einsetzbarer Stäbe aus abbrennbarem Absorbermaterial.

Bei dei Beschickung eines Reaktors wird in den Kern zunächst eine ÜberschußreaKtivität eingebracht, die durch die beweglichen Steuerstäbe und durch stationär angeordnete Absorber (Gifte) gebunden wird. Sinkt nun die Reaktivität des Brennstoffes mit zunehmendem Abbrand allmählich, so kompensiert man diese durch Herausfahren der Stäbe bzw. selbsttätig durch den Abbrand des Giftes. Eine Beschickungsperiode ist im allgemeinen zu Ende, wenn im Kern keine stationären Gifte mehr vorhanden sind und die beweglichen Absorber (Steuerstäbe) ganz aus dem Kern entfernt sind bzw. eine Stellung haben, die nicht überschritten werden darf, weil sonst wegen der entstehenden ungünstigen Leistungsverteilung im Kern eine Auslegungsgrenze überschritten würde. Die Reaktivität muß nun wieder angehoben werden, um weiter mit Vollast fahren zu können, was durch Ausladung von verbrauchtem Brennstoff und Zuladung von frischem Brennstoff geschieht; dabei werden außerdem oft ein Teil der verbleibenden Brennelementbündel in andere Positionen im Kern gesetzt.

Bei systematischer Reaktorbeschickung stellt sich im Laufe der Zeit ein Gleichgewichtszustand ein (Gleichgewichtskern). Die Größe der Teilladungen bestimmt sich für den Gleichgewichtskern aus der Forderung, daß die Beschickungsperiode im allgemeinen gerade ein Kalenderjahr betragen soli, weil dann der Brennstoff gewechselt werden kann, wenn der Energiebedarf jahreszeitlich bedingt am geringsten ist.

Da die Steuerstäbe mit ihren Antrieben nicht unbeträchtliche Anlagekosten verursachen und auch ziemlich viel Plat/, einnehmen, ist es bekannt, nur soviel Steuerstäbc vorzusehen, daß mit ihnen der Gleichgewichtskern sicher abgeschaltet wird, denn dies ist der Kernzustand, der während des größten Teils der Lebensdauer des Kraftwerkes vorliegt. Dazu werden in den Brennelementbündeln einzelne Brennstoffstäbe mit beigemischten abtrennbaren Absorbern vorgesehen, die innerhalb einer Beschickungsperiode ausbrennen. Mit jeder Nachladecharge werden neue vergiftete Bündel in den Kern eingebracht, so daß auch später im Gleichgewichtskern, wenn auch nur jeweils in dem neuzugeladenen Teil, eine Reaktivitätsbindung durch stationäre Absorber vorhanden ist, womit die Steuerstabzahl entsprechend der Reaktivitätsbilanz vermindert werden kann. Die Verhältnisse liegen bei einem modernen Siedewasserreaktor etwa so, daß 57% der Abbrandreaktivität durch Steuerstäbe und 43% durch abbrennbare Absorber kontrolliert werden. Eine Reduktion der Steuerstabzahl kann daher über eine Erhöhung des Anteils der abbrennbaren Absorber erreicht werden. Dieses Verfahren hat bei der bekannten Methode jedoch eine Grenze. Die Gründe dafür sind, daß für das Einbringen der abbrennbaren Absorber nur die Nachladecharge zur Verfugung steht (wegen der Kopplung an den Brennstoff). Es ist nicht möglich, über eine gewisse Anzahl vergifteter Stäbe hinauszugehen, da einerseits die Wirksamkeit benachbarter Stäbe untereinander und zum Steuerstab hin abfällt; hinzu kommt das Problem der lokalen Heißstellen in einem solchen hochvergifteten Bündel, so daß man eine bestimmte Grenze der Vergiftung nicht überschreiten kann.

Durch die US-Patentschrift 33 82 153 ist darüber hinaus ein Verfahren zur Bindung der Überschußreaktivität von Kernreaktoren mittels beweglicher Steuerstäbe und an bestimmter Position (Einsetzposition) in die Brennelementbündel einzeln einsetzbaren Stäben aus abbrennbarem Absorbermaterial bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Verfahren gelangen die abbrennbaren Absorberstäbe nur dann zum Einsatz, wenn sich die Dauer einer Beschickungsperiode unerwartet ändert, weil dann auf Grund der langfristigen Planung und Herstellung der Brennelemente eine Änderung in den nachzuladenden Brennelementen praktisch nicht mehr möglich ist. Muß der Reaktor zu früh geöffnet werden (Istzeitpunkt), so ergibt sich bei Zuladung der für einen späteren Zeitpunkt (Sollzeitpunkt) berechneten Nachladecharge bis zum Sollzeitpunkt eine zu große Überschußreaktivität, die bei dem bekannten Verfahren dadurch gebunden wird, daß in Einsetzpositionen von Brennelementbündeln Stäbe aus Absorbermaterial eingesetzt werden, deren Abbrennzeit der Differenz zwischen Soll- und Istzeitpunkt angepaßt ist. Der einsetzbare Absorberstab hat also im bekannten Fall nur eine reine Trimmfunktion bei Abweichungen von der Beschickungsperiode. Innerhalb der Soll-Beschikkungsperiode wird die Überschußreaktivität allein durch die beweglichen Steuerstäbe gebunden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Bindung der Überschußreaktivität von Kernreaktoren mittels beweglicher Steuerstäbe und an bestimmter Position (Einsetzposition) in die Brennelementbündel einzeln einsetzbaren Stäben aus abbrennbarem Absorbermaterial die abbrennbaren Absorberstäbe derart zum Einsatz zu bringen, daß bei unveränderter Beschickungsperiode die Anzahl der beweglichen Steuerstäbe über das bekannte, durch die Anzahl der nachgeladenen Brennclementbiindel vorgegebene Maß hinaus vermindert wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Anteil der durch die abbrennbaren Absorberstäbe gebundenen Überschußreaklivität einer gesamten Beschickungsperiode unter

entsprechender Reduzierung der durch die beweglichen Steuerstäbe gebundenen Oberschußreaktivität erhöht wird, indem bei der Kernbeladung in alle Einsetzpositionen aller frischen Brennelementbündel und bei allen Kernnachladungen in den im Kern verbleibenden Bündeln unter Ersatz der abgebrannten Stäbe der vorhergehenden Beladung ebenfalls in alle Einsetzpositionen Stäbe mit innerhalb der folgenden Beschickungsperiode abbrennendem Absorbermaterial eingesetzt werden.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es nunmehr möglich, bei jeder Beschickung den gesamten Kern und nicht nur die Nachladecharge in die Vergiftung für eine Beschickungsperiode miteinzubeziehen, d. h, es kann innerhalb einer Beschickungsperiode der stationär angeordnete Giftanteil wesentlich erhöht werden.

Die abbrennbaren Absorberstäbe werden somit auch bei normalem Ablauf der Beschickungsperiode in den Kern eingebracht; ihre Abbrennzeit entspricht der Dauer der Beschickungsperiode. Bei der Auslegung des Reaktorkernes werden die abbrennbaren Absorberstäbe zwecks Einsparung von beweglichen Steuerstäben in die Reaktivitätsbilanz einbezogen.

An Hand der Zeichnung sei die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert In der Zeichnung, die einen Querschnitt durch einen Teil eines Reaktorkerns zeigt, ist als Beispiel das typische Gitter eines Siedewasserreaktors dargestellt. Um die kreuzförmigen Steuerstäbe 1 herum sind jeweils vier von Kästen umgebene Brennelementbündel 2 angeordnet In diesen quadratischen Bündeln sind die Brennstoffstäbe (hier z. B. jeweils 36 Stück) fest angeordnet und durch Abstandshalter auseinandergehalten. In jedem Bündel sind Leerrohre gleichen Durchmessers wie die Hüllrohre der Brennstoffstäbe vorgesehen, z. B. an den schwarz gezeichneten Stellen. In diese Leerrohre werden bei den einzelnen Nachiadungen Aluminium-Gadolinium-Stäbe eingeschoben, die nur für eine Beschickungsperiode im Kern bleiben. Nach Ablauf der etwa 1 Jahr dauernden Beschickungsperiode wird der Stab gezogen und durch einen neuen ersetzt Konstruktiv oietet das überhaupt keine Schwierigkeiten; der vergiftete Stab wird einfach ohne Ausbau der Bündel eingeschoben bzw. ausgezogen. Eine Verriegelung od. ä. ist prinzipiell überflüssig.

Die Giftmenge ist so bemessen und räumlich so verteilt, daß zusammen mit den Steuerstäben die Überschußreaktivität in einer Beschickungsperiode sicher kontrolliert wird.

An Hand eines Zahlenbeispiels sollen nun die Vorteile der Erfindung quantitativ erläutert werden.

Der Abstand d der Steuerstäbe (und damit die Zahl der Stäbe selbst), der bedingt ist durch die Reaktivität, die die Stäbe zu binden haben, ist gegeben durch die Gitterweite a, d.h. den Abmessungen der Brennelementbündel und damit der Zahl der Brennstoffstäbe im Bündel, je weniger Reaktivität die Stäbe zu binden haben, um so größer kann der Steuerstababstand bzw. können die Abmessungen der Bündel sein (= Verminderung der Zahl der Bündel). Ein Zahlenbeispiel soll dies näher verdeutlichen:

Angenommen sei ein Reaktor, dessen Steuerstäbe eine Gesamtreaktivität von etwa 17,0% haben. Davon werden nur etwa 12% für diejenigen Reaktivitäten der Bilanz benötigt, die nicht durch stationäre Absorber (Gifte) zu binden sind (heiß-kalt usw.).

Setzt man die Abbrandreaktivität von 9% Ak (im Gleichgewicht) voraus, so werden 4% davon durch stationäre Gifte und 5% durch die Steuerstäbe gebunden, da die Vergiftung aus den eingangs erläuterten Gründen nicht höher getrieben werden kann. Es wird eine Steuerstabzahl von 109 und eine Brennelementbündelzahl von 444 mit 7x7 Brennstäben vorausgesetzt; der Abstand dsei 305 mm.

Durch die Anordnung nach der Erfindung ist es nun möglich, auch die durch die Stäbe kontrollierten 5% Ak der Abbrandreaktivität durch die statioüären Gifte zu kontrollieren, d. h. die von den Stäben kontrollierte Fläche (Kernhöhe bleibt gleich) kann um 30% (12% gegenüber 17% Ak der Stäbe) vergrößert werden, wenn man die Stabblattweiten konstant läßt: es ergibt sich dann ein dzu etwa 363 mm.

Pro Bündel sind 2 bis 3 Leerrohre zur Aufnahme der Gadolinium-Aluminiumstäbe nötig, um eine Reaktivität von 9% Ak zu binden.

Die Ersparnisse durch die Minderkosten an Antrieben bzw. Brennelementbündeln, denen nur geringe Mehrkosten bedingt durch die Aluminium-Gadoliniumstäb? gegenüberstehen, betragen mehrere Millionen Mark für einen 660-MW-Reaktor.

Jlierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Bindung der Überschußreaktivität von Kernreaktoren mittels beweglicher Steuerstäbe und an bestimmter Position (Einsetzposition) in die Brennelementbündel einzeln einsetzbarer Stäbe aus abbrennbarem Absorbermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der durch die abbrennbaren Absorberstäbe gebundenen Überschußreaktivität einer gesamten Beschickungsperiode unter entsprechender Reduzierung der durch die beweglichen Steuerstäbe gebundenen Überschußreaktivität erhöht wird, indem bei der Kernbeladung in alle Einsetzpositionen aller frischen Brennelementbündel und bei allen Kernnachladungen in den im Kern verbleibenden Bündeln unter Ersatz der abgebrannten Stäbe der vorhergehenden Beladung ebenfalls in alle Einsetzpositionen Stäbe mit innerhalb der folgenden Beschickungsperiode abbrennendem Absorbermaterial eingesetzt werden.