DE1922593A1 - Kernreaktor mit Plutonium enthaltenden Brennstoffelement,die am Rand des Reaktorkerns angeordnet sind - Google Patents

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PATENTANWALT ^Ό

C FRANKFURT 70

"MRCLER S^-Ui¹ASSE 61-f^r-

POoTFACH 7Ü0951
"!"ZFCN Co 11/όΤ 05:7

695 - ( 24-AT-O3125) General Electric Company, 1 River Road, Schenectady N.Y., USA

Kernreaktor mit Plutonium enthaltenden Brennstoffelementen, die am Rand des Reaktorkernes angeordnet sind.

Es ist bekannt, daß durch Kernspaltungsreaktionen große Energiemengen freigesetzt werden. Ganz allgemein absorbiert ein spaltbares Isotop wie 13-233, ü-235, Pu-239 oder Pu-24l ein Neutron in seinem Kern ein und spaltet sich daraufhin. Dabei entstehen im Mittel zwei Spaltprodukte von niedrigerem Atomgewicht und großer kinetischer Energie sowie mehrere hochenergetische Neutronen.

Die kinetische Energie der Spaltungsprodukte wird in den Brennstoffelementen des Kernreaktors in Hitze umgesetzt. Wenn von jeder einzelnen Spaltungsreaktion im Mittel zu mindest ein Neutron übrig bleibt, das eine weitere Spaltungsreaktion auslöst, läuft eine Spaltungskette ab, so daß die Wärmeerzeugung kontinuierlich wird. Wenn man dann ein Arbeitsmedium oder ein Kühlmittel wie Wasser im Wärmeaustausch an den Brennstoffelementen vorbeiströmen läßt, kann man diese Wärme abführen und in Nutzarbeit umwandeln.

Wenn die Kernspaltungsketten weiter aufrecht erhalten werden, werden die spaltbaren Isotope allmählich verbraucht. Einige der dabei entstehenden Spaltprodukte sind Neutronenabsorber (Reaktorgifte), die durch Neutroneneinfang die fehl derjenigen Neutro-

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nen vermindern, die zur Auslösung von Kernspaltungen zur Verfügung stehen. Dadurch werden die Reaktivität und somit die Mengen der erzeugten Energie herabgesetzt.

Bei einer bekannten Reaktorkonstruktion, wie sie beispielsweise beim "Dresden"-Leistungsreaktor in der Nähe von Chikago, Illinois, anzutreffen ist, ist der Reaktorkern heterogen aufgebaut. Dieses bedeutet, daß der Kernbrennstoff in langen Stäben untergebracht ist, die mit Hülsen versehen sind. Diese Brennstoffstäbe oder, Brennstoffelemente sind gruppenweise zusammengefaßt und in offenen Kästen angeordnet, so daß sie einzeln herausnehmbare Brennstoffbündel bilden. Zum Aufbau eines Reaktorkerns sind eine ausreichende Anzahl solcher Brennstoffbündel in einem bestimmten Schema angeordnet, - und zwar etwa in einem senkrechten Kreiszylinder, so daß eine Konfiguration entsteht, in der Spaltungsketten von selbst ablaufen können, wie es oben erwähnt wurde. Der Reaktorkern ist in ein Medium wie beispielsweise in leichtes Wasser eingetaucht, das sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient. Das Wasser, das den Reaktorkern umgibt, wirkt außerdem als Neutronenreflektor. Um die Reaktivität des Reaktorkerns steuern beziehungsweise regeln zu können, können eine Anzahl von Steuerstäben mit Neutronenabsorbern gezielt zwischen die Brennstoffbündel in dem Reaktorkern eingeschoben werden.

Der gewöhnlich verwendete Kernbrennstoff enthält nicht nur spaltbare Isotope, sondern auch solche Isotope, die sich durch Neutroneneinfang in spaltbare Isotope umwandeln. U-238 ist ein Beispiel hierfür. Ein sehr häufig verwendeter Kernbrennstoff besteht aus Urandioxyd (UOp) mit 2Jf U-235, welches durch thermische Neutronen spaltbar ist, und aus 98% U-238, das durch thermische Neutronen nicht merklich spaltbar ist, jedoch durch den Einfang von thermischen Neutronen schließlich in das spaltbare Isotop Pu-239 übergeht. Im Laufe des Reaktorbetriebes nimmt daher die Zahl der spaltbaren U-235-Atome allmählich ab, während ein Teil der U-238-Atome in das spaltbare Isotop Pu-239 umgewandelt wird. Die Konzentration des Pu-239 nimmt daher allmählich zu und 'erreicht

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schließlich einen Gleichgewichtswert. Da die Pu-239-Atome durch thermische Neutronen spaltbar sind, tragen sie zur Aufrechterhaltung der Spaltungsketten bei.

In einem thermischen Reaktor, also in einem Reaktor, in dem der größte Teil der Spaltungsreaktionen von thermischen Neutronen ausgelöst wird, werden nun weniger spaltbare Atome erzeugt als verbraucht werden. Außerdem sind einige der entstehenden Spaltungsprodukte Neutronenabsorber oder Reaktorgifte. Die potentielle Reaktivität einer Kernbrennstoffladung nimmt daher mit dem Abbrand ab. Wenn somit die Nennleistung des Reaktors aufrechterhalten werden soll, muß der Kernbrennstoff im Reaktor hin und wieder ganz oder teilweise ersetzt, oder ausgetauscht werden.

Der verbrauchte oder bestrahlte Brennstoff aus einem Kernreaktor enthält neben einer verwertbaren Menge des ursprünglich eingesetzten spaltbaren Materials noch eine merkliche Menge von Plutonium, zu der die spaltbaren Plutoniumisotope Pu-239 und 241 sowie das Plutoniumisotop 240 gehören, das durch Neutroneneinfang wieder in ein spaltbares Isotop übergeht. Der verbrauchte oder bestrahlte Brennstoff kann aufgearbeitet werden, um Uran und Plutonium für einen erneuten Gebrauch abzutrennen und wiederzugewinnen.

Wenn die Kosten des wiedergewonnenen Plutoniums mit den Kosten des als Brennstoff-verwendeten Urans vergleichbar werden, erscheint es wirtschaftlich sinnvoll, solches Plutonium als Brennstoff bei der ursprünglichen und/oder bei der Nachbeschickung eines Kernreaktors zu verwenden.

Das Plutonium, das aus dem verbrauchten oder bestrahlten Brennstoff eines Kernreaktors gewonnen werden kann, ist ein Gemisch aus mehreren Plutoniumisotopen. Hierzu gehören die spaltbaren Isotope Pu-239 und Pu 241, das Isotop Pu 240, das durch Netroneneinfang in ein spaltbares Isotop übergeht, und das Isotop Pu-242, das in einem thermischen Reaktor ein Reaktorgift ist. Plutonium,

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das von verbrauchtem Kernbrennstoff eines Siedewasserreaktors abgetrennt werden kann, weist beispielsweise das folgende Isotopengemisch auf:

Pu-239 59%

Pu-240 25,7?

Pu-241 12,1?

Pu-242 3,2?

Wenn man Plutonium in einem Kernreaktor verwenden will, der für die Verwendung von Uran als Brennstoff ausgelegt ist, so muß man Unterschiede im Betriebsverhalten des Reaktors in Betracht ziehen,, da sich Plutonium und Uran in ihren nuklearen Eigenschaften unterscheiden. So sind beispielsweise bei den spaltbaren Plutoniumisotopen Pu-239 und Pu-24l die Einfang- und Spaltungsquerschnitte gegenüber thermischen Neutronen größer als bei dem spaltbaren Uranisotop U-235. Außerdem ist der Einfangquerschnitt des Plutoniumisotops Pu-2^0 für Neutronen mit einer Energie in der Gegend von 1 eV sehr groß.

Der Neutronenwirkungsquerschnitt der spaltbaren Isotope Pu-239 und Pu-24l weist bei Neutronenenergien in der Gegend von 0,3 eV (also am oberen Ende des thermischen Neutronenspektrums) - ausgeprägte Resonanzstellen auf. Das Verhältnis der Wahrseheirilichkeiten für einen parasitären Neutroneneinfang und für einen Neutroneneinfang, der eine Spaltung auslöst, nimmt bei den Isotopen Pu-239 und Pu-2^1 erheblich zu, wenn es sich um Neutronenenergien handelt, die in der Gegend der Resonanzenergien liegen. Für thermische Neutronen unterhalb der Resonanzenergien von etwa 0,3 eY nimmt dagegen das Verhältnis von Neutroneneinfang zu Spaltungen ab. Der Wirkungsgrad wird, daher verbessert, wenn man Plutonium als Brennstoff in Gebieten anordnet, in denen die thermischen Energien der Neutronen niedrig sind. Dieses gilt sowohl in kernphysikalischer als auch in ökonomischer Hinsicht.

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Für die ¥erwendiiing von Plutonium für· die iiFsprmtaglietoe Brennstoff eines Kernreaktors wccrde bereite verseniedene Male

das Plutonium zusammen mit angereichertem Uran In üen glelcnem Brennst ©ffMiindeln sm verwenden« Hierbei können slcfet Jedoen Maentelle ergeben, Bs kann slen beispielsweise der Lei-■stütngskoefflzdent der Meaktltvltä't indeFB, es kaaaam der Bruatotell

HeafeFOHem lieratogesefezrt werden, der pro·¹ Kerasp-al-, wmd es kSnanien ancB andere ¥arlafele ^eranderfc werdie fitr die Kegelimg. eines Mealefrars sowie ffilcp sein d^nanilselies ¥erfeia3lfcen maJS'getiend sind» Ämem die wlrt-senaf'feilen optimale eines Keadctorfeerns Ist für·' einen Kern, der atisselilleßüiran entnalfe, eine andere als für einen Kern aras Uran rand Biarefaiesser und der Afestand der Brennstoffst-äfee 'sowie die KernfeFennsfeQ'fffdlchfee und die EfodeFatoaraienge sollten aar gewanlfe weFden« JLueäa. die Optlraalwerte fir teesfeiiniD'te Betrlebs warlable wie Beispielsweise fiiir den Integrierten Äbbrand hi&. zum wan. Brennstoffelementen oder Büindelni sind andere»

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üenn man tüelsplelsvielse B-rennstofffelndel gleienformig in einem leaktorfeern vertelltj, die van Äntoeginn an eine Ksmtolnatlon von ^ran und Fliatoniiam entfalten _s werden die ÄnfoFderiaaiigen an die ©der die Regelung des Eeafetors wegen des Einflusses des

auf den Lelstungslcoefflslenten erMhfc. Biese Senwlerlg eelfe kann gelöst werden, -wenn man das Yaiüimenvernältnls;" von Waser zu Brennstoff ernont. ¥enn man Jedoeh dieses ¥erhaltnls daernSiit,, daß man den ütüretimesser der Brennst off st Ibe kleiner

j, werden aiiien die WarmeiibergangsflacMen kleiner. Wenn man :ann die Marmeübergangsf Iac nen wieder atif iiire uirsprtingllcnen ierte bringen will, muß man normalerweise die ünsaiil der Brennitaffstäbe pro) Brennstofbitedel ernafcen. DarSfeer nlnaos wird mit afonenmenden Ditrciimessern der Brennstoff stäbe die Lelstrartgsdlcnte im Meaictarkern Iioiier, so daß man zum Macnladen des Reaktors mehr Brennstoff benötigt» sofern man die Zeitintervalle für das Maabladen nleht verkursen will. Dae Mlrtsenaftllcnkelt der Brennstoff- ;yklen wird daiier beelnträciitlgt. Wenm man die Zalsl der Brennitoffstäbe pro Biindsel eriiont_s werden a.ußerdem die Herstellungscosten for den Brennstoff köfcter.

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fenm mam amffämglicm im eimern Biremmstoffbümdel UFam 23§S mit Plutonium werwemdet_$ tritt eim weiterer MaeMfceil aiaff. ieiatromemeimfäng ami Plutonium,, für den der Mirktmgsqpierseiimiti bei tlmenniisemem Meuatromememergieen senr groB ist, isfc mämfliicm dem Mentromemeimfafflg anu 11—23® eine KomkTaremzreaLktioiinia, Cdüircn deEi aMS deia P—23^ eim spaltbares Isotop eptsfeeMtJ „ so dal Umwamdluimgsf'aktor herabgesetzt wird, also dler FaJkfcePj, der am·

wieviele spaltbaore Isotope pro ferinspaltimg; erzemgt iiiese ebem auifgeseigteini SJffimwierigkeitem kaünm isiaHi niiü üe Kostem werrimgerm luimd weitermim kamn raarn dem. HEwaj

„ wemm Ecaiii bei der Erstbesemickimg eines fieakfeors das als Brennstoff verwendete PlEitomiiaa vom dem als tremmt„

eimern KeakfcoFkeMa eimdllichiei?¹ ©iroße ande^fc siefe im radialen als ameii iim axialer MieJaifcuMg;,, da aias de» Memteromieiai emfeweictoiem. So imiiHafc beispielsweise der

- der tMernäsciiem Keimferoiiieini im eimern Eeafetoirfeeiraji im radialer

ab j, wofeei am Eamd des Eealcfcorkermes eim gj?oEei? positiver

aniiff'trifefe, der der Wirkunmg des MeinfersmenBPeflekors zuis;ifc« Äiaßerdee ferefeem orifclicli Imderamgeii dier

- wad Emergiedietiifce auf» da siein auch. Terfeeiliang maö. des Moderators ariidenm» S© beffimdem sieli beispielsweise gm jdes Eeakto>rkerms wermälfcmismaifidg ^iele miedereiiergefeiseiie

da der Moderator, der dem Eerm MEgibt, Tuamd tier¹ gieiclizeitig 'als Eef'lektor wirkt·, im dem (Siebietem aiißeriiallD des Ker-ms eime vrerIiäTtmismaß.ig miedrige Temperatiur aufweist. Äiaßerdiea mmL· earn mmh. mit eimer umgleietaüäiMgeim LeistnirngsverteiliMig ijeEielmmgsweis eisttimgsdiemfee immerealto des Eerms recimen, da die Ö3?felieme Leistiimgsdictote direkt mit der ortliemem Meütromeadieinfee Im Eeziestent.

©ie Frage der Iieistuirngsvertedliamg im eimera Meakto-rkeFia ist eine sehr wichtige Frage» da der Leisfcuonigspegel, mit ü&m. eia Meaktor bet rieben werden kamm_s grtrndsatslich dunt-ehi die der Elaterialiem des Eeaktorkerms im Gfebiet der MSetosfeeaa

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dichte gegeben ist. Wenn daher die Leistungsverteilung in einem Kernreaktor ungleichförmig ist, kann nur das Gebiet mit der höchsten zulässigen Leistungsdichte optimal zur· Leistungsabgabe des Reaktors beitragen, so daß die gesamte vom Reaktor abgegebene Leistung unter dem theoretisch möglichen optimalen 'Wert liegt. Eine ungleichförmige Leistungsverteilung innerhalb eines Reaktors hat daher im Ergebnis die Folge, daß für eine vorgegebene Nennleistung eines Reaktors der REaktorkern und der Druckbehälter größer und teuerer sein müssen, und daß der Reaktor auch mit einer größeren Brennstoffmenge beschickt werden muß.

Ein Leistungsreaktor wird im allgemeinen in einzelnen Perioden betrieben. Das bedeutet, daß der Reaktor periodisch abgeschaltet wird, uns zwecks Wiederherstellung der erforderlichen Reaktivität neuen Brennstoff einzusetzen.Beim Beschicken eines Reaktors mit Brennstoff oder beim Brennstoffaustausch ist die Grundeinheit, in der dieses erfolgt, das herausnehmbare Brennstoffbündel mit dem Kernbrennstoff. Mach bekannten Schemata zum Brennstoffaustausch wird bei jedem Austausch nur ein Bruchteil aller vorhandenen Brennstoffbündel ausgetauscht, also beispielsweise 20 bis 30$. Die Geometrie, nach der beim Brennstoffaustausch vorgegangen wird, wirkt sich sein* wesentlich auf die leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkernes aus. .Venn man nun nach einem bestimmten Schema den partiellen Brennstoffaustausch in einer bestimmten Geometrie durchführt, unterscheiden sicr; die verschiedenen Brennstoff bündel in ihrer örtlichen Reaktivität, da ihr Abbrand verschieden weit fortgeschritten ist. Die Verteilunc der Reaktivität beieinflu&t die Verteilung des Neutror.enflusses und damit auch die Leistungsverteilung.

Zum Brennstoffaustausch sind bereits verschiedene, in ihrer Geometrie unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen worden, unter anderem Verfahren mit "Zonengeometrie" und Verfahren mit "verteilter Geometrie¹*. Ebenso ist vorgeschlagen worden, diese Geometrien miteinander zu kombinieren. Bei der Zonengeometrie sind, die Brennstoffbünäel in einer Anzahl konzentrischer Zonen ver-

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teilt. Hier gibt es nun zwei Möglichkeiten. Nach der einen Möglichkeit werden die Brennstoffbündel aus derRandzone herausgenommen, die restlichen Brennstoffbündel werden aus ihrer Zone in die nächste, weiter außen liegende Zone umgesetzt und die Brennstoffbündel mit dem frischen Kernbrennstoff werden in die Zone in der Mitte des Reaktorkernes eingesetzt. Bei dieser Möglichkeit des Brennstoffaustausches werden in der Mitte des Reaktorkerns Maxima des Neutronenflusses begünstigt.

Bei der anderen Möglichkeit des Brennstoffaustausches werden die Brennstoffbündel in der Mitte herausgenommen, die restlichen Brennstbfbündel werden aus ihren jeweiligen Zonen in die nächst innere Zone umgesetzt, und die Brennstoffbündel mit dem frischen Kernbrennstoff werden in die Randzöne des Reaktorkerns eingesetzt. Bei der Befolgung dieser Möglichkeit wird die Leistungsverteilung im Reaktorkern gleichförmiger gemacht, da der frische Brennstoff am Rand des Reaktorkerns den Neutronenfluß an diesen Stellen erhöht und der Brennstoff in der Mitte des Kerns, bei dem der Abbrand am weitesten fortgeschritten ist, den Neutronenfluß herabsetzt. Beiden Möglichkeiten, die auf der Zonengeometrie beruhen, ist jedoch gemeinsam, daß bei jedem partiellen Brennstoffaustausch sämtliche Brennstoffbündel umgesetzt werden müssen, -tth'd daß von Zone zu Zone große Unterschiede im Neutronenfluß und 'in der Lei- · stungsdichte auftreten. ' .'"?.·>

Erfolgt der Brennstoffaustausch nach der "verteilten Geometrie"-, so erfolgt die Herausnahme und die Ersetzung von Brennstoffbündeln an Stellen, die so gleichförmig wie möglich innerhalb des Kernes verteilt sind. Die einzelnen Brennstoffbündel brauchen daher nicht umgesetzt zu werden, so lange man sie noch im Reaktorkern verwenden will. Dadurch können die Stillstandzeiten für ■ den Brennstoffaustausch sehr gering gehalten werden, und außerdem wird-in einem nur lose gekoppelten Reaktor die Fehlanpassung

wischen den einzelnen Brennstoffbündeln mit unterschiedlichem ; Abbrand sehr klein. Ein Nachteil des Brennstoffaustausches nach der "verteilten Geometrie" besteht darin, daß der Abbrand, des

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Brennstoffes in den Gebieten mit einem niedrigen Neutronenfluß, also in den Randgebieten des Reaktorkernes, für eine vorgegebene Verweilzeit im Kern geringer ist als der Abbrand des Brennstoffes in den mehr in der Mitte des Kernes gelegenen Gebieten.

Einige dieser eben geschilderten Nachteile können nun überwunden werden, wenn man die "Zonengeometrie" mit der "verteilten Geometrie¹¹ Jcomblnlert. Dann werden die Brennst off bündel mit dem fri^ sehen Kernbrennstoff in eine Zone am Rand des Kernes eingesetzt, während die ursprünglich in den Randzonen verwendeten Brennstoffbündel,,I₂, in denen der Kernbrennstoff nur zum Teil verbraucht ist In einer ganz bestimmten Verteilung In den mittleren Gebieten des Beaktorkerns weiter verwendet werden» Führt man den Brenn- stoffaustausch nach dieser Möglichkeit durch, so wird die radiale .eisfeungsverteilung verbessert, da der frische Brennstoff mit selanea? !hohen Reaktivität in der Randzone des Kerns onzentriert wird-.

EI® wesentlicher Nachteil aller bisher geschilderten,- und auch vorgeschlagenen, - Möglichkeiten zum Brennstoff austausch besteht aun darin, daß die Brennstoffbündel während eines großen Brueh-

eils ihrer Verwendung im Reaktor in Gebieten angeordnet sind, In denen der örtliche Neutronenfluß sehr große Gradienten aufweist.. Dieser Bruchteil kann 20.? bis 30'SS der gesamten Verwendungszelt der Brennst off bündel Im Reaktorkern betragen., und die In Frage !kämmenden Gebiete liegen neben dem Neutronenreflektor. Diese großen Gradienten im örtlichen Neutronenfluß verzerren die Abbr^adverteilung Innerhalb der einzelnen Brennstoff bündel und ufern demzufoiLge ausgesprochene Maxima In den ortlielhen Lelstungsdlehfeen toervor₃ wenn die zuerst am Rand verwendeten Brennstoffel im die mittleren Zonen des Reaktorkerns umgesetzt werden* Sun Scann man die Leistungsdichte Innerhalb der einzelnen Brennt©f£stäbe eines Brennst off bündeis dadurch homogenisieren, daß

deaa Gewalt an spaltbaren oder an absorbierenden Materialien ! im den einzelnen Brennst off stäben variiert. Man feann beispielsweise in Brenjistoffsfcaben_a eile in Gebieten mit einem sehr hohen

Fluß an thermischen Neutronen verwendet werden, den Gehalt an spaltbarem Brennstoff herabsetzen oder den Absorbergehart dieser Brennstoffstäbe erhöhen. Man kann beispielsweise iji Brennstoffstäben, die einem hohen thermischen Neutronenfluß ausgesetzt sind ^ den Gehalt an spaltbarem Brennstoff herabsetzen. Wenn jedoch solche Brennstoffbündel zwischen Stellen umgesetzt werden, an denen die thermischen Meutronen unterschiedliche Spektren aufweisen, ^!i ist es nicht möglich, für die Leistungsverteilung vorgegebene Werte aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus ist der Kernbrennstofif während seiner Verwendung in der Randzone des Reaktorkeras Neu tronen ausgesetzt, die ein kälteres (als niederenergetisefoeres) Spektrum zeigen. Dieses bedingt verschiedene Wirkungen, unter anderem die, daß der Faktor, der die Umwandlung von brütbarem Material in spaltbares Material beschreibt, am Rand des Kerns ^: niedriger als in der Mitte des Kerns ist.

Die Handzone des Reaktorkernes ist daher eine Zone, die durch folgende Eigenschaften gekennzeichent ist: Durch einen großen '[ Gradienten des Örtlichen Neutronenflusses, der durch einen schnellen Neutronenstrom aus dem Kern heraus und durch einen langsamen Neutronenstrom aus dem Reflektor-Moderator in den Kern hinein¹·' ''-'--bedingt ist; weiterhin dadurch, daß das Verhältnis von schnellem : zu langsamem Meutronenfluß kleiner als in der Mitte des Kerns ^!" ist; schließlich dadurch, daß die thermischen Meutronen ein fcüh- ■ leres (niederenergetischers) EnergiespeJctrum aufweisea; und noetr dadurch, daß der gesamte Meutronenfluß niedriger als in der Mitte des Kerns ist. '""..■■

!fen kann nun das erfindungsgemäße Ziel, nämlich Plutonitaa in einem; Kernreaktor sinnvoll zu verwenden, dadurch erreichen, daß man das Plutonium in Brennst off bunde In verwendet* die in der Ratidzone des ; Reaktorkerns angeordnet sind. Auf diese Weise können die Breßn- j stoffMndei so ausgelegt werden, daß die Eigenschaften des Pluto-' niums als Brennstoff im besonderen im Hinblick auf die Eigens ehaiften der Randzone git ausgenützt werden» Die Gesamtzahl der Brenn* st offbündel mit Plutonium in der Randzone des Reaktors ist nur

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ein verhältnismäßig kleiner Bruchteil der gesamten Anzahl der Brennstoffbündel im Kern (und beträgt beispielsweise 15?). Die Herstellungskosten des radioaktiven und giftigen Plutoniumbrennstoffes werden daher so klein wie möglich gehalten. Sowohl in den innen liegenden als auch in den Randzonen des Reaktors kann der Brennstoffaustausch nach einer "verteilten Geometrie" vorgenommen werden, so daß die Stillstandzeiten für einen Brennstoffaustausch niedrig gehalten werden können. Außerdem wird die Gefahr geringer, daß Brennstoffbündel beim Hantieren beschädigt werden, da die Brennstoffbündel nicht umgesetzt zu werden brauchen, so lange man sie noch im Reaktorkern verwenden will. Die örtliche Leistungsdichte kann man dadurch beeinflussen, daß man quer über die Brennstoffbündel den Brennstoff von Stab zu Stab örtlich variiert. Die herabgesetzte Überschußreaktivität von Plutonium erlaubt für eine vorgegebene Reaktivitätsregelstärke eine höhere Leistungsdichte. Außerdem ermöglicht es die Verbesserung der Leistungsverteilung, bei einem Raaktor vorgegebener Nennleistung den Reaktorkern und den Druckkessel kleiner zu gestalten.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im Einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 zeigt schematisch eine typische Kernkraftanlage. Figur 2 ist eine Seitenansicht eines Brennstoffbündels.

Figur 3a und 3b zeigen zusammengenommen eine schematiscne Aufsicht auf einen Reaktorkern, wie er im Kernreaktor aus Figur 1 verwendet werden kann;

Figur 4 zeigt die radiale Komponenete des hermischen Neutronenflusses in einem großen, von einem Reflektor umgebenen Reaktorkern. .

Figur 5 zeigt die radialen Komponenten des Neutronenflusses in den Randgebieten des Reaktorkerns.

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Figur 6 zeigt j wie die mikroskopischen WirkungSQüer'Scfih'ittg vori Uran und Plutonium von der Energie abhängen* - ■- - .■/>

Figur 7 ist eine Aufsicht auf einen Teil eines Reaktorkern^ atts der ein Schema zum Brennstoffaustausch hervorgeht.

Figuren 8, 9 und 10 sind schemätische Aufsichten auf Brerin^töff- ■ bündel, die am Rand des Reaktorkerns verwendet werden^ und äixs denen die Verteilung des Plutoniums in.den einzelnen Brennstoff* stäben hervorgeht, " '

Die erfindungsgemäße Verwendung von Plutonium in den Rändgebietefr eines Reaktorkerns wird im Folgenden an Hand eines wassergekü'filtiö und wassermoderierten Kernreaktors beschrieben* wie er'scheÄäf/isich· in Figur 1 dargestellt ist. Das Plutonium kann aber nach den er^ findungsgemäßen Grundlagen auch in Reaktoren¹ anderer Bauart ver- " wendet werden. Die Kernkraftanlage nach Figur 1 Weist einen¹ Druckkessel '10 mit einem Reaktorkern 11 auf, der innerhalb des Drttcfckessels in ein Kühlmittel 12 eingetaucht ist* das leichtes Wässer sein kann. Der Reaktorkern ist aus einer Anzahl "vöii ift einem ge* * wissen Abstand voneinander angeordneten Brennst off bündelfi seufge^ baut j von denen jedes aus einer Anzahl von Brennstoffstibeft M--steht, die in einem gewissen Abstand voneinander innerhalb eiftei· ' beiderseitig offenen Kastens angeordnet sind, der von Kühlmittel durchströmt wird. In den Zwisehenraüfrt zwischen den Verschied'e^vfi#fi Brennst off bunde In können kreuzförmige Rege 1st äb# mit-Netitröffe"h^;-absörbern auf und ab bewegt werden. Diese Regelstäbe sind gestri^ chelt dargestellt und mit "15^ft be"z"eiöhnet Worden^ un'd^; sie äieiiin dazu, die Reaktivität des Reaktdrkerns mechaffiscfh zu regeifi. i>ie' Antriebe für die Regelst Mbe s?ind mit ^il±H^<l bezeiefriiet, Das Ktfßl;^ · mittel wird mittels einer Pumpe lS durch den Reaktorkern umgewälzt. Das Kühlmittel' führt die Wärme ab, die in Üeh BrennMfgfff^ ■ Stäben durch die KernspäittißgSprözess'e entsteht, \ffiä dübei wiif- '-] deit sich das Kühlmitteli - leichtes WaSs^r, ■- teilweise. iti^Wäffipi um. Dieser Dämpf wird in einer Turbine 17 ausgenutzt. -Der Äbdimpf ; aus der Turbine 17 wird in einem Kondensor 18 kondensiert; tindi ^;

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mittels einer Pumpe 19 als Speisewasser wieder in den Kessel 10 zurückgedrückt.

In der Figur 2 ist nun ein Brennstoffbündel 20 von der Seite dargestellt. Das Brennstoffbündel 20 weist einen Brennstoffkasten mit quadratischem Querschnitt auf, in. dem eine Anzahl von ßrennstoffstäben 22 untergebracht sind.. Diese Brennstoffstäbe 22 sind zwischen einer oberen und einer unteren .Gitterplatte 23 und 24 gehaltert. Unten ist der Brennstoffkasten 21 mit einem Konus 26 versehen worden, der öffnungen aufweist, durch die hindurch das Kühlwasser in den Brennstoffkasten einströmen und nach oben an den Brennstoffelementen vorbeiströmen kann. Die Brennstoffelemente 22 können aus einer röhrenförmigen Hülse aufgebaut sein, die zylindrische Pillen aus Kernbrennstoff enthält. Die Figuren 3a und 3b zeigen nun schematisch denn Reaktorkern 11, Dieser Reaktorkern 11 ist aus einer in einem gewissen Abstand von einander angeordneten Brennstoffbündeln aufgebaut, die in Vierergruppen zusammengefaßt sind, von denen jede Gruppe um einen Regelstab 13 herum angeordnet ist. Man kann bei diesem Reaktorkern eine innere Zone 31 und eine äußere oder Randzone 32 unterscheiden. Diese beiden Zonen sind in der Figur 3a durch eine gestrichelte Linie voneinander abgeteilt worden.

Der Einfachheit halber ist in der Figur 3b nur ein Quadrant des Reaktorkerns Itrin näheren .Einzelheiten dargestellt worden. Die Randzone 32.^vd_fes,_JKerns enthält eine Anzahl von Randbündeln 3¹*, 35 und 36,, die, sich dadurch auszeichnen, daß ein Kante und/oder eine oder mehrere Seiten der Bündel direkt zum Moderator hin blicken, der den Reaktorkern umgibt. Jedes dieser Randbündel ist in der Figur 3b.mit "P" bezeichnet worden.. Die Randzone des Reaktorkerns kann'noch eine Anzahl weiterer Brennstoffbündel 37 enthalten, die mit "I" bezeichnet sind, und die zwar nicht direkt am Rand des Kerns liegen, jedoch in Gebieten angeordnet sind, in denen sich der Einfluß des Randes des Reaktorkerns noch bemerkbar

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Die Figur 4 zeigt die Radialkomponente des themischen ileutronenflusses in einem verhältnismäßig großen, von einem Reflektor umgebenen Leistungsreaktor. Der Neutronenfluß bleibt in der Mitte des Reaktorkerns verhältnismäßig lonstant, fällt dann gegen den Rand des Reaktorkerns hin rasch ab, weil schnelle Meutronen aus dem Kern entweichen, und steigt in der Nähe des Kernrandes stark an, weil aus dem Moderator und Reflektor, der den Kern umgibt, thermische Neutronen in den Reaktorkern zurückströmen.

Die Eigenschaften der Randzone des Reaktorkerns sind in der Figur 5 vollständiger dargestellt, die die radialen Flußkoiaponenten der Resonanzneutronen (epithermischen Neutronen) und der ther- . mischen Neutronen sowie das Verhältnis des thermischen zum Resonanzneutronenfluß im Randgebiet des Reaktorkerns zeigt. Außerdem ist die radiale Energieverteilung beziehungsweise das Energiespektrum der thermischen Neutronen im Randgebiet des iierns dargestellt. . ■ .

Die Figur 5 zeigt also, daß die Brennstoffbündel am Rand des Kerns und in einem geringeren Maße die Brennstoffbündel, die neben den Randbündeln angeordnet sind,■im Vergleich zu den Brennstoffbündeln in der Mitte des Kerns einem geringeren Neutronenfluß, einem größeren örtlichen iSieutronenflußgradienten sowie einem kühleren (niederenergetischeren) Energiespektrum ausgesetzt sind, und daß das Verhältnis von thermischem iJeutronenfluß zum Resonanzneutronenfluß in den Gebieten der Randbünöel höher als in der Mitte des Kerns ist. . ^:

Das. Ziel der Erfindung., Plutonium als Brennstoff in einem Kernreaktor zu verwenden und die Verhältnisse in der Randzone des Reaktorkerns zu optimalisieren, wird nun,mit Brennstcffbündeln , erreicht, die Plutonium enthalten und speziell für die Verwendung in der Randzone des Reaktors ausgelegt sind,. .,.....-.-. ■: ^:

Nun soll an Hand von. Figur 6 näher, besc-hri^b-en werden^ auf ,Grund : welcher Eigenschaften Plutonium besonders.jgut im -Randgebiet eines

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Reaktors erwendet werden kann, und zwar zeigt die F¹IgUr 6 die Energieabhängigkeit des mikroskopischen Wirkungsquerschnittes von U-235 und der hier interessierenden Plutoniumisotope im thermischen Neutronenenergiegebiet und im Gebiet der Resonanzenergien.

Bei den spaltbaren Plutoniumisotopen Pu-239 und Pu-241 nimmt das Verhältnis von Neutroneneinfang· zu Spaltung mit der Neutronenenergie ab* Dieses ist durch die Resonanzen in den Wirkungsquerschnitten von Pu-239 und Pu-241 in der Gegend von 0,3 eV bedingt, bei denen die Verhältnisse von Einfang zu. Spaltung sehr hoch sind. Auf Grund dieser Eigenschaft scheint es daher günstig, Plutonium in einem thermischen Reaktor dort zu verwenden, wo die Neutronen ein kühles (riiederenergetisches) Spektrum aufweisen, also in der Randzone.

In einem thermischen Neutronenfluß ist der mittlere Spaltungsquerschnitt von Plutonium etwa 2,7 Mal größer als der von Uran. Da die erzeugte Leistung dem Produkt aus Spaltungsquerschnitt unct Neutronenfluß direkt proportional ist, wird die in der Rändzone erzeugte Leistung durch den größeren Wirkungsquerschnitt des Plutoniums angehoben, und somit wird die radiale Leistungsverteilung im Reaktorkern homogenisiert. Der daraus resultierende schnellere Abbrand des Plutoniums führt außerdem dazu, daß der Abbrand in der Randzone besser mit dem Abbrand in der Mitte des Reaktorkerns übereinstimmt.

Das Plutoniumisotop PU-24Ü, das bei der PlütoniumerZeugung in" einem thermischen Reaktor entsteht,- weist in der Gegend von 1 eV eine sehr große Resonanzstelle auf* Durch Neitfe'r'öneneinfanp· entsteht aus dem Isotop Pu-240 das spaltbare Isotop Pti-2ⁱii_< Der Neutroneneinfang im Pu-240 setzt jedoch die Reaktivität herab/ und somit muß mehr Plutoniümbrehnstoff eingesetzt Werden* Wenn man dagegen das Plutonium als Brennstoff in dem niederenergetischen Neutronenspektrum der Randzone des Kerns anordnet, kommt man mit weniger Plutonium aus, weil für Neutroneil dieser Energie der Einfang durch das Pu-2#ö geringer ist* " ^s " - " ■ ·

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Durch die Anwesenheit des Pu-240 nimmt der hohen Konversionsrate dieses Isotops wegen die Reaktivität von Plutoniumbrennstoff mit dem Abbrand weniger ab als die Reaktivität von Uranbrennstoff, In einem großen, nur lose gekoppelten Reaktor wird die Leistungsverteilung sehr stark von dem infinitesimalen Multiplikationsfaktor beeinflußt. Die Verwendung von Plutonium als Brennstoff in der Randzone des Reaktorkerns führt dazu, daß gegen das Ende einer Betriebsperiode beziehungsweise eines Brennstoffzyklus hin die radiale Leistungsverteilung flacher verläuft.

Da man Plutonium von Uran chemisch abtrennen kann, kann man die Plutoniumkonzentration durch einfaches Mischen ändern. Daher ist es wirtschaftlich vertretbar, Brennstoffstäbe mit verschiedenen Plutoniumkonzentrationen zu verwenden, um am Reaktorrand örtliche Leistungsspitzen herabzudrücken, die auf Grund der großen Neutronenflußgradienten in diesen Gebieten zu Stande kommen können.

Ein weiterer Vorteil.der Verwendung.von Plutonium als Brennstoff in einer getrennten Randzone des Reaktorkerns ergibt sich aus folgendem: Plutonium ist radioaktiv und giftig. Seine Handhabung ist daher schwierig und teuer. Wenn man daher das Plutonium in einer verhältnismäßig kleinen Anzahl der Brennstoffbündel des Kerns konzentriert, kann man die Herstellungskosten für den Plutoniumbrennstoff herabsetzen.

Die Verwendung von Plutonium als Brennstoff in den Brennstoffbündeln am Rand des Kerns eröffnet eine besonders günstige Möglichkeit zum Brennstoffersatz am Ende einer Betriebsperiode. Man kann nämlich, was jedoch keine Beschränkung der Erfindung darstellen soll, den Austausch der Brennstoffbündel sowohl in der Randzone mit dem Plutoniumbrennstoff als auch in der Mitte des Reaktorkerns, in der Brennstoffbündel mit Uran verwendet werden, . nach der "verteilten Geometrie" vornehmen. Keines der Brennstoffbündel braucht daher im Kern umgesetzt zu werden, so lange es noch im Reaktorkern weiterverwendet werden.soll. Die Stillstand-.-zeiten, die für den Brennstoffaustausch oder Ersatz notwendig

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sind, können daher klein gehalten werden, und außerdem treten alle diejenigen Risiken nicht auf, die mit dem Umsetzen der Brennstoffbündel verbunden sind. In der Figur 7 ist ein Quadrant eines Reaktorkerns dargestellt, an Hand dessen eine solche Möglichkeit zum Brennstoffaustausch erörtert werden soll. Das Schema, auf dem diese Möglichkeit beruht, geht davon aus, daß nach jeder Betriebsperiode etwa 25% des Brennstoffes ausgetauscht wird. Jedes einzelne der Brennstoffbündel verbleibt daher für vier Betriebsperioden im Reaktorkern. Die Brennstoffbündel in der Randzone sind mit"p" und die Brennstoffbündel in den mittleren Kerngebieten sind mit "c" bezeichnet worden. Die Zahlen geben an, wie viele Betriebsperioden lang das jeweilige Brennstoffbündel bereits im. Kern verwendet worden ist. Die mit "4" bezeichneten Brennstoffbündel sind daher diejenigen Brennstoffbündel, die als nächste ausgetauscht werden. Für dieses Austauschschema ist die Brennstoffanreicherung in der Randzone so gewählt worden, daß die spezifische Leistung (KW/Kg) in der Randzone etwa gleich der spezifischen Leistung in der Mitte des Reaktorkerns ist, damit die Brennstoffbündel in der Randzone und in der Mitte des Kerns gleich lang verwendet werden können. Man kann die Brennstoffbündel für die Randzone jedoch auch so auslegen, daß ihre spezifische Leistung geringer ist und sie dann entweder später austauschen oder aber mit einem geringeren Abbrand.

Wenn man die Brennstoffbündel mit Plutonium nur in der Randzone des Reaktors verwendet und wenn man dafür sorgt, daß diese Bündel nicht umgesetzt zu werden brauchen, so lange man sie im Kern verwenden will, kann man die verschiedenen Parameter des Reaktors unabhängig voneinander optimalisieren, also beispielsweise Brennstoffmischüng und Anreicherungsgrad, Durchmesser der Brennstoffstäbe, Temperaturkoeffizient der Reaktivität und das Verhältnis von Wasser zu Brennstoff, so daß das kernphysikalische, thermische, hydraulische und wirtschaftliche Betriebsverhalten der Randzone optimalisiert werden kann. Wenn man Plutonium nur in Brennst of f bündeln in der Randzone des Reaktorkerns verwendet, können die Bündel mit dem Uranbrennstoff für die mittleren Gebiete des

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Reaktorkerns ebenfalls unabhängig optimalisiert werden.

Nun soll an Hand der Figuren 8,9 ,und 10 beschrieben werden, wie Brennstoffbündel für die Randzone des Reaktorkernes ausgelegt werden können. Diese Figuren zeigen schematisch Aufsichten auf Brennstoffbündel für die Randzone des Kerns, aus denen hervorgeht, wie der Plutoniumbrennstoff in den verschiedenen Arten von Randbündeln räumlich verteilt sein kann.

Wie aus der Figur 3b hervorgeht, können die Bündel in der Randzone gegenüber dem Wasser außerhalb des Reaktorkerns, das sowohl als Moderator als auch als Reflektor dient, geometrisch drei verschiedene Lagen einnehmen. Bei den Brennst off bündeln J>k werden eine Kante und zwei Seiten direkt vom Wasser außerhalb des Kerns umspült. Die Brennstoffbündel 35 grenzen nur mit einer Kante und mit einer Seite direkt an das Wasser außerhalb des Kerns an, die Brennstoffbündel J6 sogar nur mit einer Kante. Durch diese Unterschiede ist bedingt, daß die Neutronenflußverteilung in diesen Brennstoffbündeln unterschiedlich ist. Für optimale Ergebnisse ist es daher erforderlich, das Plutonium in diesen Brennstoffbündeln jeweils anders anzuordnen.

Die Figur 8 zeigt nun ein Beispiel, wie das Plutonium in einem Randbündel 34 angeordnet werden kann. Dieses Brennstoffbündel weist 7x7 Brennstoffstäbe 22 auf, die in einem Brennstoffkasten angeordnet sind. Eine Ecke 70 und zwei Seiten 70 und 71 grenzen direkt an das Wasser an, das den Reaktorkern umgibt. Die Zahl, mit der jeder Brennstoffstab markiert ist, gibt den prozentualen Gehalt an spaltbarem Plutoniumbrennstoff innerhalb des Brennstoffstabes an. (Das Plutonium kann vorteilhafter Weise mit abgerei- ' chertem oder natürlichem Uran gemischt werden). Der Plutonium-^

ehalt der auf der Diagonalen des Brennstoffbündeis angeordneten Brennstoffstäbe wächst von 1 Atom-Ϊ im Brennstoffstab in der Ecke zwischen den Seiten 71 und 72 auf einen Maximalwert von 1,7 Atom-3» an und nimmt dann wieder bis auf 1,1 Atom-JS ab. Dieses ist der Plutoniumgehalt des Brennstoffstabes an der innen liegenden Ecke

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des Brennstoffkastens.Vergleicht man diese Verteilung des.Plutoniumbrennstoff es mit der Verteilung des thermischen Neutronenflusses am Rand des Reaktors, die aus Figur 5. hervorgeht, so sieht nan, daß die Verteilung des Plutoniums der Verteilung des thernischen Neutronenflusses etwa umgekehrt proportional gewählt worden ist. Man kann also die örtlichen Leistungen dadurch homogenisieren, daß man den Brennstoff mit dem höchsten Anreicherungsgard an denjenigen Stellen anordnet, wo der thermische Neutronenfluß am geringsten ist, und umgekehrt.

Die Figuren 9 und 10 sind nun ähnliche Beispiele für die Plutoniumverteilung in den Brennstoffstäben der Randbündel 35 und 36. In der Figur 9 stößt nur eine Seite 80 des Randbündels direkt an den Reflektor an, und der Anreicherungsgrad des Plutoniums ist von dieser Seite 80 ausgehend zur innen liegenden Seite des Bündels 35 hin abgestuft. In der Figur 10 grenzt nur eine Kante 90 eines Brennstoffbündeis 36 direkt an den Reflektor an, und der Anreicherungsgrad des Plutoniums ist von dieser Kante ausgehend diagonal über das Brennstoffbündel hinweg variiert worden.

Wie das Plutonium in den an die Randbündel angrenzenden Zwischenbündel verteilt werden sollte, braucht nicht näher erläutert zu werden, da sich diese Plutoniumverteilung auf Grund der obigen Erörterungen aus der,Figur 5 leicht ableiten läßt. Darüberhinaus führt eine gleichförmige Plutoniumverteilung in den Brennstoffstäben der an die Randbündel angrenzenden Zwischenbündel "I" aus Gründen niedriger Herstellungskosten üblicherweise auf annehmbare Ergebnisse. In den an die-Randbündel angrenzenden Zwischenbündeln "I" ist der mittlere Plutoniumanreicherungsgrad jedoch geringer als in den Randbündeln selber, da die Zwischenbündel einem höheren thermischen Neut'ronenflufi als die Randbündel ausgesetzt sind, wie aus der Figur 5 hervorgeht. So kann beispielsweise der mittlere Gehalt an spaltbarem Plutonium in den Zwischenbündeln etwa 1,2 Αζοττ.-% betragen, während dieser mittlere Gehalt in den Randbündeln etwa i,37 Atonv-S beträgt.

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Es sind also Beispiele für Brennstoffbündel mit Plutonium beschrieben worden, in denen der Gehalt an spaltbarem Plutonium räumlich variiert worden ist, um die Einflüsse der Neutronenflußgradienten am Rand eines Reaktorkerns auszugleichen. Die gleichen Ergebnisse kann man aber auch erzielen, wenn man das spaltbare Plutonium gleichförmig verteilt und statt dessen den Gehalt an anderen Nuklearmaterialien wie den Gehalt an U-235, Pu-240, U-239, U-233 und th-232 entsprechend räumlich variiert. Da man Plutonium jedoch chemisch abtrennen kann, erscheint es günstiger, den Plutoniumgehalt zu variieren.

Ein sehr wichtiger Gesichtspunkt bei der Auslegung eines Reaktorkerns betrifft die Steuerung oder die Regelung des Reaktors, die durch Steuer- oder Regelstäbe und andere Neutronenabsorber wie durch lösliche und abbrennbare Reaktorgifte erfolgen kann. Es muß nämlich gewährleistet sein, daß man den Reaktorkern unter sämtlichen auftretenden Bedingungen abschalten kann. Um nun in der Randzone des Kerns die gewünschte hohe spezifische Leistung aufrecht zu erhalten, muß der Spaltungsquerschnitt des Brennstoffes am Rand des Reaktors groß gemacht werden, (beispielsweise durch die Verwendung von Plutonium), und außerdem muß der Neutronenfluß hoch sein. Der Neutronenfluß in der Randzone hängt nun sowohl von den Neutronen ab, die aus der Mitte des Reaktorkerns herausdiffundieren, als auch von der örtlichen Überschußmultiplikation des Brennstoffes in der Randzone. Nun ist es bekannt, daß in den meisten thermischen Kernreaktoren die Neutronenmultiplikation im kalten Zustand größer als im heißen Zustand ist. Das Abschalten im kalten Zustand stellt daher an die Steuerung oder die Regelung des Reaktors die höchsten Anforderungen. Es können daher Schwierigkeiten auftreten, wenn man die Randbündel so auslegt, daß die spezifische Leistung in der Randzone des Reaktorkerns hoch ist. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, gibt es mehrer Möglichkeiten, unter anderem die Folgenden:

Man kann in der Randzone Regelstäbe mit einer größeren Regelstärke verwenden. Das kann aber auf eine zu hohe Regelstärke des

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Regelstabes führen. Fällt dann einer dieser Regelstäbe aus, so ist es möglich, daß die restlichen Stäbe den Ausfall dieses einen Stabes nicht mehr ausgleichen können.

Zur Regelung oder Steuerung eines Reaktors kann man auch ein Reaktorgift verwenden, das im Kühlmittel gelöst ist. Man kann sich darauf beschränken, solche löslichen Reaktorgifte nur zum Abschalten des Reaktors zu verwenden. Es ist jedoch auch bei manchen Reaktoren möglich, mit solchen im Kühlmittel gelösten Reaktorgiften eine Regelung oder Steuerung unter Leistung vorzunehmen. In beiden Fällen kann mit diesen gelösten Giften eine ausreichend gute Regelung oder Steuerung erzielt werden, die es ermöglicht, einen Reaktorkern für gleiche spezifische Leistungen in der Mitte und am Rand auszulegen.

Man kann auch die Dicke der Randzone klein genug machen, (beispielsweise so klein, daß sie nur die Brennstoffbündel direkt am Reaktorrand umfaßt), so daß der Neutronenfluß in der Randzone mehr von den aus der Reaktormitte herausdiffundierenden Neutronen und weniger von der Neutronenmultiplikation in den Randbündeln abhängt. Die geringere Überschußreaktivität des Plutoniums erleichtert diese Möglichkeit. Da der Einfangquerschnitt des Pu-24O so groß ist, kann man den Gehalt an spaltbarem Plutonium sehr groß wählen. Trotzdem bleibt die Überschußreaktivität klein.

Da die Brennstoffbündel für die Randzone jeweils besonders ausgelegt werden, kann man das Verhältnis von Moderator zu Brennstoff so wählen, daß die örtliche Reaktivität in der Kälte nicht mehr größer, sondern kleiner als im heißen Zustand wird. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Man kann beispielsweise die Größe, die Anzahl und den Abstand der Brennstoffstäbe voneinander variieren und in den Brennstoffbündeln besondere Moderatorkanäle vorsehen. Man kann auch die mit Wasser gefüllten Abstände W und w (Figuren 8, 9 und 10) zwischen der Randzone und den inneren Zonen ;rößer machen. Auch dadurch werden die Anforderungen an die Regelung der Randzone im kalten Zustand geringer.

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Es ist also ein Kernreaktor mit Plutonium enthaltenden Brennstoff· bündeln beschrieben worden, die in der Randzone des Kernreaktors verwendet werden, um sowohl die Verwendung von Plutonium zu optimalisieren als auch das Randgebiet des Reaktorkerns optimal auszunutzen.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   ( 1.J Kernreaktor mit zwei verschiedenen spaltbaren Kernbrennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kernbrennstoff gegenüber thermischen Neutronen einen größeren Spaltungsquerschnitt als der erste Kernbrennstoff aufweist und in der Randzone des Kerns des Reaktors angeordnet ist.
2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein merklicher Anteil des zweiten Kernbrennstoffes Plutonium ist.
3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anfängliche Anreicherung des zweiten Brennstoffes örtlich derart abgestuft ist, daß er der örtlichen Änderung des Neutronenflusses in der Randzone des Kerns etwa umgekehrt proportional ist.
4. . Kernreaktor nach Anspruch 1, mit Brennstoffbündeln für die Verwendung in Gebieten, in denen der Fluß verhältnismäßig niederenergetischer Neutronen einen großen Gradienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffbündel eine Anzahl von in einem gewissen Abstand voneinander angeordneten Brennstoffstäben aufweisen, von denen einige anfänglich mindestens 0,5 Gewichts-ί spaltbares Plutonium enthalten, und daß.die anfängliche Anreicherung des spaltbaren Brennstoffes in den Brennstoffstäben in umgekehrtem Verhältnis zum Gradienten des Neutronenflusses gewählt ist.
5. 5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Brennstoffstäbe an spaltbarem Plutonium in umgekehrtem Verhältnis zum Gradienten des Neutronenflusses gewählt ist.

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6. 6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Brennstoffbündel einen quadratischen Querschnitt aufweist, und daß der Plutoniumgehalt in den einzelnen Brennstoffstäben in einer Richtung abgestuft ist, die von
   einer Seite des Brennstoffbündels zur gegenüber liegenden Seite
   verläuft.
7. 7. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffbündel einen quadratischen Querschnitt aufweist, und daß der Plutoniumgehalt in den einzelnen Brennstoffstäben in der Richtung der Querschnittsdiagonalen abgestuft ist.

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