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Beschreibung
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zum Patentgesuch "Kernreaktor und Verfahren zu seinem Betrieb" Die
Erfindung betrifft einen aus Brennstoffbaugruppen bestehenden Kern eines Kernreaktors
und ein Verfahren zu seinem Betrieb.Bekanntlich haben einzelne Brennstoffbaugruppen
innerhalb eines Reaktorkerns und genauer gesagt, die sie bildenden Brennstoffstäbe,
die Tendenz, ungleichförmig abzubrennen: Einige brennen schneller ab als andere
aus Gründen, wie Nähe von Neutronenabsorbern, ungleichförmige Kühlmittelströmungsverteilung
und Nähe zur Peripherie des Kerns, wodurch Neutronen verlorengehen als "Neutronenleckage".
Unter diesen Voraussetzungen arbeiten einige Brennstoffbaugruppen (örtliche Brennstoff
stäbe) unter höheren Temperaturen als andere. Da ein einzelner Brennstoffstab wahrscheinlich
beschädigt wird, wenn er mit excessiv hohen Temperaturen arbeitet, bestimmen die
Wärmeströmung und die Wärmeabfuhrbegrenzung im Kern ein oberes Leistungslimit, bis
zu dem jeder Brennstoff stab betrieben werden kann. Dieses obere Leistungslimit
muß dann für den heißesten" Brennstoffstab im Kern beobachtet werden, anstatt für
einen durchschnittlichen Brennstoffstab, da bei Anstieg der mittleren Leistung bis
zum Leistungslimit der heißeste Stab ebenso wie zahlreiche weitere auf Leistungswerte
getrieben würden, welche das Leistungslimit überstiegen, und es ergäbe sich ein
Versagen der betreffenden Stäbe.
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Unter diesen Voraussetzungen und mit dem Wunsch, aus ökonomischen
Gründen das Ausbrennen jeder einzelnen Brennstoffbaugruppe im Kern maximal zu machen,
ergibt sich, daß es wichtig ist, den Reaktorkern mit einer Leistungsverteilung zu
fahren, die so gleichmäßig wie möglich ist. Der Index, den man als ein Maß für Gleichförmigkeit
der Leistungsverteilung definiert hat, ist der "Spitzenfaktor", worunter man das
Verhältnis der maximalen Leistungsdichte im Kern zur mittleren Leistungsdichte des
Kerns versteht.
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Es ergaben sich Schwierigkeiten bei der Lösung der Aufgabe, die Leistungsverteilung
in Querrichtung des Kerns so gleichförmig wie möglich zu halten, oder - in anderen
Worten -den Spitzenfaktor minimal zu halten. Industriell betriebene Kernreaktorkraftwerke
werden im allgemeinen mit Brennstoffbeladungszyklen betrieben, an deren Ende etwa
ein Drittel des am meisten verbrauchten Brennstoffs aus dem Kern entnommen wird,
und durch eine Ladung frischen Brennstoffs ersetzt wird. Wenn der Reaktor erstmalig
in Betrieb genommen wird, beschickt man den Kern im allgemeinen mit drei Typen von
Brennstoffbaugruppen, die in ihrem mechanischen Konzept gleich sind, jedoch unterschiedlichen
Gehalt an spaltbarem Material aufweisen. In späteren Brennstoffbeladungszyklen besteht
der Brennstoff im Kern aus drei Chargen von Brennstoffbaugruppen, die zu unterschiedlichen
Zeitpunkten in den Kern eingebracht worden sind, und sich hinsichtlich des Grades
ihres Brennstoffabbrandes unterscheiden.
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Die Anordnung des Brennstoffs im ersten Zyklus besteht aus einer
alternaierenden Matrix aus Brennstoffbaugruppen, die die niedrigeren beiden Anreicherungen
im Zentrum des Kerns enthalten, während der am höchsten angereicherte Brennstoff
sich in einem Ring rings um den Zentralbereich befindet. Bei der ersten
Brennstoffnachladung
werden die meisten der Brennstoffbaugruppen mit der niedrigsten Anreicherung entnommen,
und die verbleibenden Brennstoffbaugruppen werden neu positioniert in einem alternierdenden
Muster im Zentrum des Kerns. Der Nachladebrennstoff wird in den Ring nahe der Kernperipherie
plaziert. Bei nachfolgender Nachladung wird dieses Schema wiederholt, wobei der
frische Brennstoff in dem äußeren Ring plaziert wird, und die teilweise abgebrannten
Brennstoffchargen in den Innenbereich versetzt werden.
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Bei einem Kern der beschriebenen Bauart liegt im wesentlichen ein
Zweizonen-Kern vor, bei dem man eine deutliche Leistungsabflachung dank der Brennstoffanordnung
erzielt, bei der der frischeste Brennstoff an der Peripherie liegt, eine Maßnahme,
die teilweise einen Ausgleich bietet für die Leckage von Neutronen aus dem Kern
durch die peripheren Bereiche.
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Die Probleme, eine gleichförmige Leistungsverteilung zu erzielen,
rühren teilweise von der Tatsache her, daß die im Mittelbereich des Kern plazierten
Brennstoffbaugruppen unveränderlich und unvermeidbar unterschiedlichen Abbrand aufweisen.
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Darüber hinaus haben Brennstoffbaugruppen, die in den Zentralbereich
des Kerns von dem peripheren Bereich verbracht worden sind, nicht den gleichen Grad
des Abbrandes von einer Seite der Baugruppe zur anderen, was zum Ergebnis hat, daß
eine höhere Leistung auf einer Seite der Baugruppe als auf der anderen erzeugt wird.
Die in Querrichtung ungleichförmigen Abbrände ergeben sich aus der Plazierung der
Brennstoffbaugruppe in einem Bereich, bei dem während eines oder mehrerer Zyklen
ein Neutronenflußgradient vorlag.
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Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, den Kern in seinen
heißesten" Bereichen zu "dämpfen". Diese Lösung ist jedoch mit zahlreichen Schwierigkeiten
behaftet,
da es nur selten möglich sein wird, Neutronengiftstäbe
(Dämpfungsstäbe) in den erwünschten Abschnitt des Kerns willkürlich einzufügen.
Die bisher üblichen Brennstoffbaugruppen waren nicht so ausgelegt, daß man sie ohne
weiteres zerlegen konnte, um einen Brennstoffstab durch einen Neutronengiftstab
zu ersetzen, oder die Brennstoffstäbe innerhalb der Baugruppe selbst umzusetzen.
Eine jüngere Konstruktion für Kernbrennstoffbaugruppen sieht die Zerlegbarkeit derselben
vor.
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Der Wiederzusammenbau solcher zerlegbarer Brennstoffbaugruppen bringt
jedoch erhebliche Probleme mit sich, da die Brennstoffbaugruppen nach Bestrahlung
während eines Betiriebszyklus hochradioaktiv sind. Deshalb muß man das Zerlegen
und Widerzusammenfügen der Brennstoffbaugruppe unter Manipulation der Brennstoffstäbe
durch Fernsteuerung vornehmen. Darüber hinaus wäre ein solches Vorgehen extrem zeitaufwendig
und entsprechend teuer, insbesondere unter Berücksichtigung der Zeit, während der
der Reaktor keine Leistung liefert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktorkern und ein Verfahren
zum Betrieb eines solchen Reaktors zu schaffen, bei dem die Brennstoffbaugruppen
im Hinblick auf eine gleichförmige Leistungsverteilung im Kern konzipiert sind.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1. Die Ansprüche 2
bis 4 beziehen sich auf einen bestimmten Typ von Reaktorkern, die Ansprüche 5 und
6 betreffen bestimmte Mittel zum Bewirken der verringerten Reaktivität, und der
Anspruch 7 definiert das Verfahren der Brennstoffumsetzung.
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Demgemäß umfaßt ein Reaktorkern gemäß der Erfindung Brennstoffbaugruppen,
die absichtlich mit "Dämpfungs-" oder Neutronengiftstäben versehen sind, die vorzugsweise
an den Peripherien der Brennstoffbaugruppen lokalisiert sind. Die "gedämpften" Brennstoffbaugruppen
werden ihrerseits an der Peripherie des Kerns derart angeordnet, daß die Neutronengiftstäbe
sich
an der Peripherie des Kerns befinden. In nachfolgenden Betriebszyklen werden diese
"vergifteten" Brennstoffbaugruppen in das Innere des Kerns verbracht, und die Neutronengiftstäbe
werden dabei strategisch so positioniert, daß exzessive örtliche Leistungsspitzen
unterdrückt werden.
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Die Neutronengiftstäbe der Brennstoffbaugruppen befinden sich in
einer peripheren Reihe der Brennstoffbaugruppe und sind am zweckmäßigsten in den
Eckpositionen der Brennstoffbaugruppen angeordnet. Je nach der Kernposition, die
ursprünglich von den peripheren Brennstoffbaugruppen eingenommen worden ist, können
die Brennstoffbaugruppen die Neutronengiftstäbe an einer, zwei oder auch drei Ecken
aufweisen.
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Mit diesen drei Variationen hat die äußerste Reihe der Brennstoffbaugruppen
im Kern "vergiftete" Brennstoffbaugruppen mit Neutronengiftstäben an allen Ecken,
die am meisten von dem NeutronenfluBgradienten beeinflußt werden, der an der Außenkante
des Kerns vorliegt.
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Die beigefügte Zeichnung stellt schematisch den Grundriß eines Reaktorkerns
dar. Der Kern 10 weist einen peripheren Bereich von Brennstoffbaugruppen 20 auf
sowie einen zentralen oder inneren Bereich von Brennstoffbaugruppen 30. Jede der
Brennstoffbaugruppen des Kerns ist konventionell ausgebildet, bestehend aus einer
polygonalen Matrix von parallelen, sich in Längsrichtung erstreckenden Brennstoffstäben
18. Solche Brennstoffbaugruppen sind beispielsweise in US-PS 3 971 575 beschrieben,
wie sie gegenwärtig in Kernkraftdampferzeugern benutzt werden. Jeder Brennstoff
stab umfaßt generell einen Stapel von Uranoxidpellets, umgeben von einer geschlossenen
Zirkaloy-Röhre. Der Reaktorkern 10 ist im allgemeinen innerhalb eines zylindrischen
Druckbehälters eingeschlossen, und der Kern 10 wird der Zylinderform angenähert.
Die quadratischen Brennstoffbaugruppen sind in dem Kern so angeordnet, daß dieser
einen Grundriß erhält, der soweit als möglich rund ist.
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Es ist nicht nur wünschenswert, einen näherungsweise zylindrischen
Kern zu haben, damit dieser richtig in den zylindrischen Druckbehälter hineinpaßt,
sondern der Fachmann weiß auch, daß unter Berücksichtigung der Neutronenökonomie
der Kern einen möglichst großen Innenbereich bei einer möglichst kleinen Außenfläche
haben soll. In zwei Dimensionen wird dieser Forderung am besten durch einen Kreis
Rechnung getragen. Die Neutronenökonomie ist eine wichtige Forderung, da die Kettenreaktion
innerhalb des Kerns darauf beruht, daß Neutronen zur Verfügung stehen. Es versteht
sich jedoch, daß eine große Zahl von auswärts gerichteten Neutronen den Kern an
der Peripherie verlassen, und wenn sie nicht von dem Medium außerhalb des Kerns
reflektiert werden, gehen sie für den Zerfallsprozeß verloren. Infolge dieser Neutronenleckage
an der Peripherie des Kerns und infolge der Tatsache, daß die Brennstoffbaugruppen
an der Peripherie des Kerns an all ihren Seiten keine benachbarten Brennstoffstäbe
aufweisen, existiert ein erheblicher Neutronenflußgradient an den peripheren Positionen.
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Es wurde festgestellt, daß selbst dann, wenn alle Brennstoffbaugruppen
im Kern ursprünglich mit einer gleichmäßigen Erstreaktivität starten, nach einem
Brennstoffzyklus die peripheren Baugruppen einen Reaktivitätsgradienten aufweisen,
da der oben erwähnte Neutronenflußgradient zur Folge hat, daß die Brennstoffstäbe,
die der Innenseite des Kerns zugekehrt sind, viel stärker ausbrennen, als jene Brennstoffstäbe,
die der Außenseite des Kerns zugebrannt sind. Wenn in nachfolgenden Brennstoff zyklen
die vorher peripheren Brennstoffbaugruppen in den Innenbereich des Kerns verbracht
werden, führt das ungleichförmige Ausbrennen dieser Brennstoffbaugruppen zur Entstehung
von Leistungsspitzen. Es folgt daraus, daß diese neu arrangierten Brennstoffbaugruppen
die leistungsbegrenzenden Baugruppen im Kern sind, und infolgedessen erfordern,
daß der Kern mit einer niedrigeren Gesamtleistung betrieben wird als sonst möglich
wäre, da eine höhere mittlere Leistung diese
früher peripheren
Brennstoffbaugruppen zur Erzeugung von exzessiver Leistung veranlassen würde, mit
daraus resultierender Überhitzung und Beschädigung.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, neutronenabsorbierende Neutronengiftstifte
22 in peripheren Positionen einer ausgewählten Zahl von Brennstoffbaugruppen zu
plazieren, die ihrerseits an der Peripherie des Kerns 10 während des ersten Betriebszyklus
plaziert sind. Wie man erkennt, werden Neutronengiftelemente in dem Kern, die aus
einem "verbrennbaren" Gift bestehen können, die Tendenz haben, die Leistung herunterzudrücken,
die in dem örtlichen Bereich unmittelbar nahe den Giftstäben erzeugt wird. Infqlgedessen
wird zunächst die Leistung rings um die Peripherie des Kerns abgesenkt. Der Verlust
an Leistung infolge der Leistungsabsenkung an der Peripherie des Kerns durch die
Neutronengiftstäbe 22 wird jedoch mehr als ausgeglichen in einem nachfolgenden Zyklus,
wenn die früher peripheren Brennstoffbaugruppen von dem peripheren Bereich 20 versetzt
werden in das Innere 30 des Kerns 10. Zu diesem Zeitpunkt werden die örtlichen Leistungsspitzen
die sonst vorhanden wären infqlge des Abbrenngradienten in den Brennstoffbaugruppen
12i, 14i und t6i, die in den Innenbereich 30 von dem peripheren Bereich 20 verbracht
worden sind, heruntergedrückt durch die Neutronengiftstäbe 22, die sich nun in der
genau richtigen Position befinden, um. am wirksamsten eine lokale Leistungsspitzenverringerung
zu bewirken. Auf diese Weise kann der Gesaitttleistungspegel des Kerns. 10 angehoben
werden, da die vorher begrenzenden örtlichen Leistungsspitzen durch die örtlich
plazierten Giftstäbe 22 unterdrückt werden.
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Bei einem typischen Reaktorkern 10, wie in der Zeichnung dargestellt,
hat es sich gezeigt, daß drei verschiedene Typen von "gedämpften" Brennstoffbaugruppen
12, 14 bzw. 16 erforderlich sind. Die Brennstoffbaugruppen 12 sind jene Brennstoffbaugruppen,
die
sich an den "Ecken" des Kerns befinden derart, daß die Brennstoffbaugruppen 12 benachbarte
Baugruppen nur auf zwei Seiten aufweisen. Demgemäß sind drei Ecken der "Eckbaugruppen"
12 an der Peripherie des Kerns angeordnet. In einer solchen Baugruppe hat es sich
gezeigt, daß es wünschenswert sei, drei Neutronengiftstäbe 22 an den drei äußeren
Umfangsecken vorzusehen. Die Brennstoffbaugruppe 14 liegt nur mit einer Seite an
der Peripherie des Kerns, während die anderen drei Seiten benachbart zu anderen
Brennstoffbaugruppen liegen. In dieser Anordnung befinden sich also nur zwei Ecken
der Baugruppen 14 an der Peripherie des eigentlichen Kerns. Demgemäß hat es sich
gezeigt, daß Neutronengiftstäbe an zwei anstoßenden Ecken der Brennstoffbaugruppen
14 angemessen sind. Schließlich sind die Brennstoffbaugruppen 16 beinahe vollständig
im Innern des Kerns eingefangen und sind an all ihren vier Seiten von benachbarten
Brennstoffbaugruppen umgeben. Die äußerste Ecke der Brennstoffbaugruppen 16 jedoch
befindet sich entweder an der Peripherie des Kerns oder beinahe an dieser Peripherie,
so daß es sich gezeigt hat, daß zweckmäßigerweise ein Neutronengiftstab 22 an der
einen äußersten Ecke der Brennstoffbaugruppen 16 anzuordnen ist. Typische Postionen
12i, 14i und 16i sind in der Zeichnung dargestellt für Brennstoffbaugruppen 12,
14 bzw. 16, die vorher an der Peripherie des Kerns plaziert waren, jedoch in eine
Innenposition nach dem ersten Betriebszyklus verbracht worden sind. Zahlreiche weitere
der Innenpositionen werden von solchen vorher peripheren Brennstoffbaugruppen eingenommen,
sind in der Zeichnung jedoch nicht weiter markiert, um die Darstellung nicht unübersichtlich
zu machen.
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Bei der Herstellung van Brennstoffbaugruppen 12, 14 und 16 ist zu
beachten, daß das Einfügen eines Ersatzstabes 22 für einen der normalen Brennstoffstäbe
18 die physische
Auslegung der Brennstoffbaugruppe selbst nicht
ändert, so daß ein einfacher Austausch ohne weiteres vorgenommen werden kann. Die
Austauschstäbe 22 können - wie oben erwähnt - aus einem Neutronengift bestehen,
wie Borcarbid (B4C). Wie bekannt, besteht die Praxis, das Borcarbid in eine Aluminiumoxidmatrix
(Al203) in Form von Aluminiumoxid-Borcarbid-Pellets einzubetten.
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Diese Pellets werden an der Innenseite der Zirkonlegierungsröhre oder
Außenhülle plaziert. Die Zirkonröhre hat den gleichen Durchmesser und dieselbe Länge
wie die Zirkonröhren, die für das Einkapseln der Brennstoffpellets bei einem der
Brennstoffstäbe 18 verwendet werden.
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In der bisherigen Erörterung wurde davon ausgegangen, daß der Austauschstab
22 ein Neutronengift enthält. Es liegt jedoch noch im Rahmen der Erfindung, Austauschstäbe
22 vorzusehen, die irgendein Material mit einer geringeren Reaktivität enthalten
als die Reaktivität eines der Brennstoff stäbe 18. In diesem Falle kann der Austauschstab
22 auch entweder ein weniger stark wirkendes Gift enthalten, ein inertes Material,
das die Neutronen gar nicht beeinflußt, oder auch Brennstoffirtaterial mit einer
geringeren Anreicherung als die regulären Brennstoffstäbe 18, mit dem Ergebnis,
daß das schwächere Brennstoffmaterial eine niedrigere Reaktivität hat als die regulären
Stäbe 18.
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Es soll jedoch noch einmal auf den Fall eingegangen werden, daß der
Austauschstab 22 ein Neutronengiftmaterial enthält. Es ist dann wünschenswert, die
Austauschstäbe 22 so auszulegen, daß sie eine maximale Neutronenabsorptionsfähigkeit
zu Beginn des zweiten Zyklus im Kern 10 aufweisen, jedoch auch derart, daß das Neutronengift
während der Periode des zweiten Zyklus derart sich verbraucht, daß in etwa eine
Anpassung an die Rate erfolgt, mit der die Reaktivität des Brennstoffs in benachbarten
Brennstoffstäben 18 abnimmt.
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Es ist demgemäß wünschenswert, genug Borcarbid vorzusehen, um die
örtliche Spitzenleistung herunterzudrücken, die zu Beginn des zweiten Zyklus vorherrscht,
jedoch nicht soweit, daß man einen Gesamtleistungsabfall über den Zyklus in Kauf
nehmen muß. Zusätzlich ist zu beachten, daß zwar im Ausführungsbeispiel die Austauschstäbe
22 an den Ecken der Brennstoffbaugruppen 12, 14 und 16 angeordnet sind, daß es jedoch
ohne weiteres auch möglich ist, einen äquivalenten vorteilhaften Effekt zu erzielen
durch Lokalisieren der Austauschstäbe 22 an anderen Positionen als gerade an den
Ecken.
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Man kann sich z.B. vorstellen, daß die Austauschstäbe 22 in peripheren
Brennstoffbaugruppen-Positionen angeordnet werden, die zwar die Eckpositionen mit
umfassen, jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
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Bei dem Betriebsverfahren für den Reaktor mit solchen speziellen
Brennstoffbaugruppen werden zunächst die Positionen von Brennstoffbaugruppen im
Kern bestimmt, die hohe Neutronenflußgradienten während des Leistungsbetriebes aufweisen.
Diese Positionen mit hohem Neutronenflußgradienten, die sich gewöhnlich in dem peripheren
Bereich 20 befinden, werden dann zunächst mit den speziellen Brennstoffbaugruppen
t2, 14 und 16 beschickt, die jeweils mindestens anstelle eines Brennstoffstabes
18 einen Austauschstab 22 aufweisen. Per Reaktor wird dann während eines Zyklus
betrieben, so daß der gesamte Brennstoff innerhalb des Kerns einem Abbrand entsprechend
diesem Zyklus unterliegt. Am Ende dieses Zyklus wird ein Teil der Brennstoffbaugruppen
im Innenbereich 30 des Kerns aus diesem entfernt. Die entfernten Brennstoffbaugruppen
sind entweder verbrauchte Brennstoffbaugruppen, oder Brennstoffbaugruppen, die die
geringste verbleibende Konzentration am spaltbaren Material enthalten. Nachdem die
verbrauchten Brennstoffbaugruppen aus dem Kern entnommen worden sind, werden die
verbleibenden
Brennstoffbaugruppen neu innerhalb des Kerns in einer Art und Weise arrangiert,
bei der der Gesamt-Spitzenleistungs-Faktor des Kerns 10 minimal gehalten wird.
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Dies bedeutet, daß nicht nur die verbleibenden Brennstoffbaugruppen
neu zu positionieren sind, sondern daß auch die verbleibenden Brennstoffbaugruppen
bezüglich ihrer Orientierung verdreht werden derart, daß der Spitzenfaktor am niedrigsten
wird. Bei der Neupositionierung werden die Brennstoffbaugruppen 12, 14 und 16 mit
den Austauschstäben 22 in Positionen im Innenbereich verbracht, so daß die Kernpositionen
frei werden, die vorher als jene bestimmt worden sind, bei denen während des Leistungsbetriebes
ein hoher Neutronenflußgradient vorliegt (gewöhnlich periphere Positionen). Neue
Brennstoffbaugruppen, ebenfalls mit Austauschstäben 22, werden dann in die freigewordenen
Positionen mit hohem Flußgradienten eingefügt und der Betriebszyklus wird wiederholt.
Mit dieser Strategie haben jene Brennstoffbaugruppen, die ursprünglich eine gleichförmige
Reaktivität aufwiesen, und einen Reaktivitätsgradienten während des ersten Abbrandzyklus
wegen ihrer Positione an der Peripherie annehmen, einen eingebauten Leistungsspitzenunterdrücker,
repräsentiert durch die Austauschstäbe 22, so daß bei nachfolgender Neupositionierung
im Innenbereich des Kerns die örtlichen Leistungsspitzen unterdrückt werden, was
wiederum eine insgesamt höhere Kernleistung ermöglicht.