- 12 Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen eines Kernreaktorkernes mit Brennstoff und zum Betreiben dieses
Kernes.
Kernbrennstoffe schliessen Uran und/odrr Plutonium in
geeigneter Form ein. Ein z.B. für Wasser-gekühlte- und
-moderierte Kernreaktoren üblicherweise benutzter Brennstoff umfasst Urandioxid (UO,,), in dem etwa 0,7 bis 4 %
spaltbares U-235 im Gemisch mit brütbarem U-238 vorliegen. Während des Reaktorbetriebes wird ein Teil des brütbaren
U-238 in spaltbares Pu-239 und Pu-241 umgewandelt, das zum Aufrechterhalten der Reaktor leistung beiträgt.
Für hochenergiereiche Neutronen ist auch das U-238 spaltbar.
In bekannten Siedewasserreaktoren, wie z.B. in der Dresden-Kernenergiestation
bei Chicago Illinois, liegt der Kernbrennstoff üblicherweise in Form gesinterter Pellets vor,
.'te in einem langgestreckten Rohr enthalten sind, das aus einem geeigneten Metall besteht, wie einer Zirkonlegierung.
Das Ganze bildet ein Brennstoffelement oder einen Brennstoffstab, wie er z.B. in der US-PS 3 3G5 371 gezeigt
ist. Das Rohr, das durch Endstopfen abgeschlossen ist, dient der Isolation des Kernbrennstoffes vom Moderatorkühlmittel
und zur Verhinderung der Abgabe von Spaltprodukten.
Solche Brennstoffelemente sind in Gruppen angeordnet und
werden durch obere ui.d untere Halteplatten in separat
ersetzbaren Brennstoffeinheiten oder -bündeln zusammengehalten, wie sie z.B. in der US-PS 3 G8b 358 gezeigt
sind. Eine ausreichende Zahl solcher Brennstoffeinheiten
wird in einer Matrix angeordnet, die sich einem kreis-
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förmigen Zylinder annähert und bildet den Kernreaktorkern,
der eine Kettenspaltreaktion aufrechterhalten kann. Der Kern befindet sich in einer Flüssigkeit, wie leichtem Was-
■•r,dae sowohl als Arbeitsflüssigkeit als auch als Neutronenmoderator
dient.
Kernreaktoren werden üblicherweise periodisch mit neuem Brennstoff versehen, der überschüssige Reaktivität aufweist,
die ausreicht; den Betrieb während eines Betriebszyklus aufrecht zu erhalten, der häufig in der Grössenordnung
von einem Jahr liegt und im folgenden als Nachladezyklus bezeichnet wird. Bei diesem Nachladen wird der
Reaktor abgestellt und es wird üblicherweise etwa 1/4 der Brennstoffeinheiten ersetzt. Die Überschussreaktivität
zu Beginn eines Betriebszyklus erfordert ein Kontrollsystem ausreichender Stärke, um den wirksamen Multiplikationsfaktor
während des Reaktorbetriebes bei eins zu halten. Das Kontrollsystem umfasst üblicherweise neutronenabsorbierende
Materialien, die die Neutronenvermehrung steuern, in dem sie die Neutronen ohne Spaltung einfangen.
Das Kontrollsystem schliesst eine mechanische Steuerung
in Form einer Vielzahl von Kontrollstäben ein, die neutronenabsorbierendes
Material enthalten und die selektiv einfUhrbar sind in die Räume oder Spalte zwischen den
Brennstoffeinheiten, um die Reaktivität zu steuern und somit das Leistungsniveau des Kernes. In einer bekannten
Anordnung, wie sie z.B. in der US-PS 3 020 888 gezeigt ist, weisen die Kontrollstabblätter einen kreuzförmigen
Querschnitt auf, wodurch die Flügel der Blätter jedes Kontrollstabes in die Räume zwischen vier benachbarte
Brennstoffeinheiten eingeführt werden können. Jede solche
Gruppe von vier Brennstoffeinheiten, die einen Kontrollstab
umgeben, kann als eine Kernzelle bezeichnet werden. In der vorgenannten US-PS 3 020 888 sind geeignete neu-
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tronenabsorbierende Materialien und Antriebsmechanismen
für den Kontrollstab beschrieben.
Das Kontrollsystem kann auch einen abbrennbaren Neutronenabsorber einschliessen, wie Gadolinium, der mit einem Teil
des Brennstoffes vermengt ist. Die in der Natur vorkommenden Gadolinium-Isotope 155 und 157 sind starke Neutronenabsorber,
die durch die Neutronenabsorption in Isotope
geringerer Kontrollstärke (Neutronenabsorptionskapazität)
umgewandelt werden. Die Verwendung solcher brennbaren Absorber vermindert die erforderliche Menge an mechanischer
Kontrolle durch geeignete Anordnung der abbrennbaren Absorber, wodurch Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsverteilung erzielt werden können. Häufig werden die abbrennbaren
Absorber in die Brennstoffelemente in einer Mischung mit ausgewählten Teilen des Kernbrennstoffes eingefüllt.
Eine Anordnung abbrennbarer Absorber ist z.B. in der ÜS-PS 3 799 839 gezeigt.
Weitere Information hinsichtlich Kernreaktoren kann z.B. in dem Buch von N.M. El-Wakil "Nuclear Power Engineering"
McGraw-Hill Book Company Inc. 1962, gefunden werden.
Die rohrförmigen Brennstoffelementhiillen, die eine Dicke
in der Grössenordnung von etwa 0,8 mm haben, werden aufgrund des hohen Druckes, der hohen Temperatur, der Kernstrahlung
und des Angriffes der Spaltprodukte in der Umgebung des Kernreaktorkernes stark beansprucht. Das Herausziehen
eingeführter Kontrollstäbe erhöht die lokale Leistung in benachbarten Brennstoffelementen stark. Solche
plötzlichen starken Veränderungen im lokalen linearen Leistungsniveau (kw/ft) des Brennstoffes kann zu hohen
lokalen Belastungen aufgrund der Wechselwirkung der Brennstoffpellets
mit der Umhüllung führen. Wenn die sich ausdehnenden trennenden Kanten benachbarter Pellets oder die
benachbarten Seiten eines Pelletrisses sich gegen die Um-
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hill lung pressen, dann kann die dabei erhaltene lokal auftretende Belastung die Belastbarkeit der Umhüllung übersteigen und einen Bruch bzw. Riss darin verursachen, der
das Eindringen von Kühlmitteln in das Brennstoffelement
und das Entweichen von Spaltprodukten aus dem Brennstoffelement in das umgebende Kühlmittel gestatten. Diese unerwünschte Erscheinung ist als "Pellet-Umhüllungwechselwirkung" bekanntgeworden. Es gibt eine vom Brennstoffabbrand abhängige Schwelle, unterhalb der die Umhüllung unabhängig von der Grosse der Zunahme der linearen Leistung
bisher nicht versagt hat .
Zu den vorgeschlagenen Lösungen des Problemes der Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung gehört ein Verfahren zum Behandeln des Brennstoffes, damit er den nachfolgenden raschen Leistungsänderungen widersteht. Dieses
Verfahren ist in der US-PS 4 057 466 beschrieben. Dieses Verfahren umfasst, kurz gesagt, eine regulierte systematische Kontrolle der Leistungszunahmegeschwindigkeit z.B.
auf weniger als 0,1 kw/ft pro Stunde, damit sich die die lokale Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung erzeugenden Kräfte entspannen können. Diese Geschwindigkeit
wird unterhalb der kritischen Geschwindigkeit gehalten, die eine Beschädigung der Umhüllung verursacht und dies
für Zunahmen in der lokalen linearen Leistung zwischen dem obengenannten Schwellwert und dem erwünschten maximalen lokalen linearen Leistungsniveau, Nach einer solchen
Behandlung wurde festgestellt, dass relativ rasche Leistungsänderungen unterhalb des maximalen Niveaus ohne
Beschädigung der Umhüllung vorgenommen werden konnten. Der hauptsächliche Nachteil dieses Verfahrens ist, dass
die Behandlung relativ lange dauert, da sie die Zeit für den Betrieb bei normalen Leistungsniveaus vermindert. In
vielen praktischen Betriebssituationen ist es auch unmöglich, den Brennstoff nahe den eingeführten Kontrollstäben
vollständig zu behandeln.
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Eine andere Erscheinung beim Betrieb eines Kernreaktors ist die sogenannte "Kontrollstabgeschichte". Die Wirkung
der Anwesenheit eines Kontrollstabblattes ist die, die Geschwindigkeit des Abbrennens des spaltbaren Brennstoffes
in der Umgebung stark zu vermindern, während die Umwandlung des brut fähigen U-238 in spaltbares Pu-239 merklich
weniger reduziert wird. Wenn daher ein solcher Kontrollstab herausgezogen wird, dann nimmt die Leistung in dem
Brennstoff der dem Kontrollstab am nächsten war, d.h. in der Kante und den benachbarten peripheren Brennstoffelementen
der Brennstoffeinheit zu einem grösseren Masse zu
als in dem Brennstoff, der weiter vom Kontrollstab entfernt war. Diese Wirkung der Kontrollstabgeschichte ist
am grössten für den Brennstoff im Brennstoffelement in
der Ecke der Brennstoffeinheit benachbart dem Kontrollstab
und diese Wirkung wird umso ausgeprägter, je länger
der Kontrollstab benachbart dem Brennstoff verbleibt. Die Wirkung der Kontrollstabgeschichte ist am grössten für
Auslegungen, in denen es keine Nachfolger/auf die Kontrollstäbe gibt./(im Englischen "follower")
Eine andere Erscheinung in Siedewasserreaktoren ist die
"axiale Dampfblasenunterdrückung". In solchen Reaktoren verursacht das Sieden des Kühlmittels innerhalb individueller
Kanäle eine negative Leistungsrückführung, weil die lokale Reaktivität des Brennstoffes mit zunehmenden
Dampfblasen abnimmt. Wird ein Kontrollstab partiell in den Boden eines Kanales eingeführt, dann unterdrückt er
das Sieden nahe dem Kontrollblatt und verursacht dadurch
eine entsprechende Verminderung an Dampfblasen in den Bereichen höherer Reaktivität oberhalb des Kontrollblattes.
Das reduzierte Sieden oberhalb eines teilweise eingeführten Kontrollstabes kann eine starke Leistungsspitze
verursachen, die die Leistung in einem Kanal übersteigen kann, wenn der Kontrollstab vollkommen herausgezogen ist.
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Es wurden schon früh bei der Auslegung und dem Betrieb von Kernreaktoren der besprochenen Art Verfahren und Muster
für die Einführung und das Herausziehen von Kontrollstäben entwickelt. Das grundlegende Herangehen bestand
darin, zu versuchen, das Abbrennen des Brennstoffes, die
Erzeugung von Plutonium und die Wirkungen der Kontrollstabgeschichte so gleichmässig als möglich zwischen den
Brennstoffeinheiten des Kernes zu verteilen, indem man
die Kontrollstabmuster periodisch revidierte und austauschte.
In bekannten Kontrollstab-Betriebsverfahren für Reaktoren
der beschriebenen Art werden die Kontrollstäbe in verschiedenen alternierenden Mustern angeordnet, die es gestatten,
die eine Gruppe von Kontrollstäben während des
Betriebes durch eine andere auszutauschen. Es bestehen üblicherweise zwei, drei oder vier Muster von Kontrollstäben,
die alternativ in den Reaktorkern eingeführt werden, um die Leistungsform und die Abbrennreaktivität zu
steuern.
Gemäss den bekannten Kontrollstab-Betriebsprozeduren
wird der Kern mit einem gegebenen Kontrollstabmuster für eine Periode der Energieerzeugung betrieben. Dann
vermindert man die Leistung und tauscht dieses Muster gegen ein anderes aus usw. Es kann daher fünf bis acht
Kontrollstabmusteränderungen während eines jährlichen Betriebszyklus des Reaktors geben. Diese Kontrollstabmuster
und das Austauschen der Muster sind z.B. detailliert in der US-PS 3 385 758 beschrieben.
Die bekannten Kontrollstab-Betriebsverfahren führen dazu,
dass der grösste Teil des Brennstoffes während seiner Aufenthaltszeit von etwa vier Jahren im Kern eine Bewegung
eines benachbarten Kontrollstabes im Leistungszustand
des Reaktors erfährt. Eine solche Kontrollstabbe-
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wegung ergibt sich aus der Abbrennkontrolle, dem Austauschen
von Kontrollstabmustern, der Last folge, der Xenon-Übergangskontrolle, der Brennstoffbehandlung usw.
Diese Betriebsvariablen führen dazu, dass die Gesamtzahl der Kontrollstabbewegungen, die der Brennstoff erfährt,
unerwünscht hoch ist. Darüber hinaus führt das Austauschen der Kontrollstabmuster zur Anregung von Xenon-Übergängen
bzw. Xenon-Gipfeln der räumlichen Leis tungsverteilung
und die Bewegungszwänge der Kontrollstäbe aufgrund thermischer, hydraulicher, sicherheitsmässiger und Grenzen
hinsichtlich der Brennstoffbehandlung machen den Reaktorbetrieb
in unerwünschter Weise komplex und erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers des Betriebspersonals.
Die bekannten Betriebsverfahren neigen zur Einschränkung des thermischen und sicherheitsmässigen Spielraumes, erhöhen
die Herstellungskomplexizität, vermindern die Kapazitätsfaktoren
und erhöhen das Risiko der Brennstoffbeschädigung.
Eine Zusammenfassung der beobachteten Probleme bei den bekannten Betriebsverfahren von Siedewasserreaktoren mit
Kontrollstabmusteraustausch ergibt folgendes:
(1) Die Reaktorleistung muss zur Durchführung des Austausches
vermindert werden während gleichzeitig eine Anpassung an die Zwänge der Wechselwirkung zwischen Pellet und
Umhüllung erforderlich ist. In vielen Fällen sind bis zu fünf Tagen erforderlich, um den Reaktor nach dem Austausch
auf volle Leistung zurückzubringen, was den Kapazitätsfaktor des Reaktors reduziert.
(2) Die Austauschvorgänge der Kontrollstabmuster komplizieren die Reaktorauslegung und seinen Betrieb. Da der
Austauach der Kontrollstabmuster aus bestimmten Gründen
erfolgt, wenn die Leistung des Reaktors vermindert ist, sind die Reaktoroperationen schwierig zu planen und ähnliche
Reaktoren werden unterschiedlich während eines Nachladezyklus betrieben.
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(3) Das Austauschen der Kontrollstabmuster und die damit verbundenen Leistungsverminderungen führen zu räumlichen
und nicht-räumlichen Xenon-Übergängen bzw. -Gipfeln, die die Reaktoroperationen komplizieren und zu den
Schwierigkeiten beitragen / die Grenzen einzuhalten, um
Wechselwirkungen zwischen den Brennstoffpellets und der Umhüllung der Brennstoffelemente zu vermeiden.
(4) Das Betriebspersonal des Reaktors braucht wegen der komplizierten,miteinander in Wechselwirkung stehenden *
dreidimensionalen Variablen und Zwänge länger, um den Reaktor bedienen zu lernen. Dies erhöht die Möglichkeit
von Fehlern durch das Betriebspersonal.
(5) Der gesamte Brennstoff mit Ausnahme dessen, der an der Peripherie des Kernes angeordnet ist, erfährt starke
Zunahmen der linearen Leistung aufgrund der Bewegung des benachbarten Kontrollstabes während eines Nachladezyklus.
Die Kernperipherie ist Üblicherweise der einzige Bereich, wo der Brennstoff so angeordnet werden kann, dass er keine
Bewegung eines benachbarten Kontrollstabes erfährt.
(6) Alle Kontrollstäbe, ausgenommen derer, die nahe der Kernperipherie angeordnet sind, müssen einer zweifachen
Funktion dienen, nämlich die Leistungsform und die Abbrennreaktivität zu kontrollieren und das Abstellen des
Reaktors zu bewirken. Spezielle Auslegungscharakteristiken für diese verschiedenen Funktionen können daher nicht
leicht in die Kontrollstäbe und deren Antrieb« eingebaut werden.
(7) Die Anwendung automatischer Leistungsverteilungsraumformkontrolle
für die Lastfolge und andere Zwecke wird stark kompliziert durch die grosse Zahl der Variablen
und ihrer komplexe Wechselwirkung. Ausserdem sind die folgenden Nachteile vom Anordnen von Kontrollstäben benachbart
Brennstoff hoher Leistung oder hoher Reaktivität oder benachbart Brennstoff, der nicht erschöpften abbrennbaren
Absorber enthält, beobachtet worden:
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Wasser mit wenig Dampfblasen oberhalb teilweise eingeführten
Kontrollstäben verursacht häufig lokale Reaktorleistungsspitzen.
Thermische Begrenzungen wie der Übergang oder die Abweichung von Kernsiedegrenzen werden auch
nachteilig durch die teilweise Einführung von Kontrollstäben benachbart hochreaktivem Brennstoff beeinflusst.
Kontrollstäbe, die benachbart von Brennstoff eingeführt
werden, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält , neigen zur Abschrägung des Abbrandes des Absorbers
und verursachen einen unerwünschten Raumubergang des abbrennbaren Absorbers der die lokale Leistungspitze in dem
Reaktor erhöht oder erfordert, dass der Brennstoff mit einer komplizierten Gestaltung des abbrennbaren Absorbers
hergestellt wird.
Die Erfindung beruht auf der Trennung der Kontrollstabfunktionen
in die Kontrolle der Leistungsform und Reaktivität sowie die Funktionen zum Abstellen des Reaktors
durch Einbringen eines eine geringe Reaktivität aufweisenden oder speziell ausgelegten Brennstoffes in die
Kontrollzellen, in die die Kontrollstäbe, die die Steuerung
der Leistungsform und der Reaktivität vornehmen, im Leistungszustand des Kernes eingeführt werden.
Im anfänglichen Kern werden die Kontro LlzeIlen mit Brennstof
feinheiten spezieller Auslegung versehen, die eine relativ geringe Anreicherung haben. Die Nichtkontrollzellen
werden mit speziell ausgelegten Brennstoffeinheiten versehen, die eine relativ stärkere anfängliche Anreicherung
haben und die während der nachfolgenden Nachladezyklen
in den Kontrollzellen angeordnet werden können. In dem Masse, in dem der Reaktor hochgefahren und
zur Nennleistung gebracht wird, werden die Kontrollstäbe der Nichtkontrollzellen im wesentlichen vollkommen herausgezogen
und während des Betriebszyklus wird der Reak-
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tor nur durch die Kontrollstäbe der Kontrollzellen gesteuert. Es erfährt daher nur der speziell ausgelegte
Brennstoff geringer Anreicherung der Kontrollzellen eine Bewegung eines benachbarten Kontrollstabes während des
Zyklus. Auf diese Weise wird der Kernbetrieb stark vereinfacht und viele Probleme des Kontrollstabaustausches
werden vermieden.
Am Ende eines Betriebszyklus wird der Reaktor für das Nachladen des Brennstoffes abgestellt und die Brennstoffeinheiten der Kontrollzellen werden normalerweise aus dem
Reaktor herausgenommen oder in periphere Brennst offeinheiten-Positionen des Reaktorkernes bewegt. Die bestrahlten Brennstoffeinheiten von ausserhalb der Kontrollzellen
mit der geringsten Reaktivität werden in die Kontrollzellen eingeführt. Frische, d.h. unbestrahlte Brennstoffeinheiten werden ausserhalb der Kontrollzellen, d.h. in den
Nichtkontrollzellen,weg von den Kontrollstäben, die bei
der Nennleistung einzuführen sind, eingeschoben.
Der Brennstoff verbleibt für n-Betriebszyklen im Kern,
wobei η üblicherweise gleich vier ist. Die Brennstoffeinheiten verbleiben in den Nichtkontrollzellen üblicherweise für n-1 Zyklen ihrer Aufenthaltszeit im Kern, obwohl sie innerhalb der Nichtkontrollzellen von einer Position zu einer anderen bewegt werden können. Während
ihres letzten Zyklus der Aufenthaltszeit im Kern kommen sie in die Kontrollzellen und werden dann entweder aus
dem Kern herausgenommen oder an die Kernperipherie bewegt. Für einige Anwendungen kann unbestrahlter speziell
ausgelegter eine hohe Zuverlässigkeit aufweisender Brennstoff direkt in die Kontrollzellen in anderen als dem
ersten Zyklus eingeführt werden , wo er dann für a Zyklen verbleibt, wobei m gleich oder verschieden von η ist,(der
Zahl der Aufenthaltszyklen von Brennstoff von Nichtkontrollzellen). Eine solche Kernauslegung mit Trennung der
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Kontrollstabfunktion und bei der nur Brennstott mit einer
geringen Reaktivität benachbart den Kontrollstäben angeordnet
wird, die die Steuerung der Leistungsform und
Reaktivität als Funktion haben, wird als "Kontrollzellen kern" bezeichnet.
Die Kontrollblätter der Nichtkontrollzellen zum Abstellen
des Reaktors werden im Leistungszustand herausgezogen
und erleiden dadurch einen verminderten Abbrand und weniger Strahlungsschaden und -belastung. Diese Kontrollblätter
haben daher eine längere Lebensdauer. Man kann daher teurere Kontrollmaterialien darin verwenden, insbesondere
im oberen Teil davon, um ihre Fähigkeit zum kalten Abschalten des Reaktors zu maximalisieren und die Fähigkeit des
Reaktors zum Brennstoffzyklusabbrand zu verbessern. Auch
können die Antriebe der Kont rol Lstäbe der Nichtkontrollzellen relativ einfach und billig sein.
Da andererseits die in den Kontrollzellen angeordneten
Kontrollstäbe nur etwa 1/4 der Kontrollstäbe des Kernes ausmachen, können auch diese Kontrollstäbe und ihre Antriebe
optimal gestaltet werden, da sie in erster Linie für die Steuerung der Leistungsform und der Abbrandreaktivität
da sind. Eine solche Optimalisierung schliesst Feinbewegungsantriebe und Kontrollblätter mit
grauen Spitzen ein. Beide Merkmale sorgen für eine graduellere Veränderung in der Leistung im benachbarten
Brennstoff, wenn der Kontrollstab bewegt wird. Die Feinbewegungsant riebe, die teuer und komplex sind, können
auf die Kontrollzellposit ionen beschränkt werden. Auch
kann man andere Kontrollblattmaterialien benutzen, die
eine grössere Lebensdauer und ein günstigeres Neutronenabsorptionsspektrum
mit sich bringen. So vermindern die eine lange Lebensdauer aufweisenden Ha f niuin-Kont rollmaterialien
die Leistungsstörung der die Leistungsforra
steuernden Blätter und verlängern die Lebensdauer dieser Blätter.
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Die Verbesserung der maximalen Leistungsfähigkeit des
Kontrollzellenkernes wird durch geeignete Auslegung der Brennstoffeinheiten zur Einführung in die Kontrollzellen
möglich,die üblicherweise für den letzten oder vorletzten Brennstoffzyklus vor der Herausnahme aus dem Kern erfolgt.
Die optimalen Brennstoffeinheitaus legungen sind erwünscht, um die Kontrollgeschichtenwirkungen und die
damit verbundene Periode des Brennstoffabbrandes zu schaffen,
während der die Kontrollgeschichtenwirkungen stattfinden.
Für einen anfänglichen Kern werden die Brennstoffeinheiten,
die in die Kontrollzellen kommen sollen, für diesen Zweck besonders ausgelegt. Auch die Auslegung der Brennsloif'einheiten,
die während des ersten Nachladens in die Kontrollzellen bewegt werden sollen, ist verschieden von der Auslegung
der Brennstoffeinheiten, die erst bei den nachfolgenden
Nachladungen in die Kontrollzellen bewegt werden
sollen. In anderen Worten, die Brennstoffeinheiten sind besonders ausgelegt in Abhängigkeit von ihrer Position im
Kern ind ihrer vorhergesehenen Aufenthaltszeit darin.
Brennstoffeinheiten zum Nachfüllen werden üblicherweise
nicht vor ihrem dritten oder vierten Aufenthaltszyklus im Kern in die Kontrollzellen eingeführt und die Auslegung
dieses Brennstoffes zumNachladen mit abbrennbarem-Absorber
ist üblicherweise verschieden von der des Brennstoffes für den ursprünglichen Kern. Auch die Brennstoffeinheiten
zum Nachladen können daher optimal ausgelegt werden, um maximalen Nutzen von der Trennung der Kontrollfunktionen
der Kontrollstäbe zu haben.
Speziell ausgelegte Brennstoffeinheiten können in den
Kontrollzellen verwendet werden, da bei vielen Anwendungen nur etwa die Hälfte des Brennstoffes während seines
Aufenthaltes im Kern in den Kontrollzellen verbleibt.
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Solche speziell ausgelegten Brennstoffeinheiten können
in ihrem ersten, zweiten, dritten, vierten oder fünften Aufenthaltszyklus in die Kontrollzellen eingeführt werden
und in einigen fällen können sie für mehr als einen Zyklus in den Kontrollzellen verbleiben. Bei der üblichen optimalen
Anwendung wird der Brennstoff jedoch nur für den letzten oder vorletzten Aufenthaltszyklus im Kern in den Kontrollzellen
sein.
Herstellungskriterien erfordern, dass die Brennstoffelemente
der Standardauslegung zur Herstellung der Brennstoffeinheiten
benutzt werden und dass die Zahl unterschiedlicher Standardbrennst offelemente möglichst gering
gehalten wird. Die Brennstoffeinheiten werden daher so
ausgelegt, dass sie gemeinsam so viele der Standardbrennstoffelemente
enthalten wie möglich, und gleichzeitig die Auslegungs-,Leistungs- und Sicherheitsziele erreichen.
Die anfängliche und gekoppelte Nachlade-Brennstoffeinheitaus
legung für den Kontrollzellkern macht es möglich, diese Ziele zu erreichen einschliesslich einer Verminderung
der Zahl der Standardbrennstoffelementarten, die für die
Herstellung der erforderlichen Brennstoffeinheiten genutzt
werden muss.
Die einzigartigen Aspekte der Kontrollzellenkernauslegung,
die die Anordnung von Brennstoffeinheiten mit nicht erschöpftem
abbrennbarem Absorber benachbart eingeführten Kontrollstäben im Leistungszustand des Reaktors vermeidet,
macht es möglich, die Auslegung der Brennstoffelemente
mit brennbarem Absorber in den Brennstoffeinheiten zu vereinfachen,
ia dem die Zahl der verschiedenen axialen Zonen abbrennbaren Absorbers in diesen Brennst offelementen vermindert
wird.
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Es können alternative Muster von Kontrollzellen benutzt
werden in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen an den Kern und der Reaktorauslegung. Das Hauptkriterium
ist, dass das Muster der Kontrollzellen eine maximale
Kernsymmetrie schafft und dass ausreichend Kontrollzellen
vorhanden sind, um leicht das Anfahren des Reaktors, die Kontrolle der Leistungsform und der maximalen Überschussreaktivität
und die Lastfolge des Verbrauchernetzes zu gestatten. Die Zahlenposition der Kontrollzellen kann zu
Beginn eines neuen Nachladezyklus revidiert werden, wenn dies Leistungs- und andere Vorteile mit sich bringt.
Die Trennung der Kontrollfunktionen und die einzigartige
Kernauslegung macht die Anwendung der folgenden Grundkriterien möglich:
(1) Brennstoff, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält, wird bei merklicher Leistung nicht benachbart
zu Kontrollstäben angeordnet,
(2) Brennstoff hoher Reaktivität wird im Gleichgewichtszustand bei Nennleistung nicht benachbart von Kontrollstäben
angeordnet,
(3) Kontrollstabmusteränderungen und Kontrollstabbewegung
werden innerhalb eines Nachladezyklus minimalisiert,
(4) Brennstoff, der grosse Delta-Leistungsänderungen er-
des
fährt aufgrund einer Bewegung/benachbarten Kontrollstabes, wird bei relativ geringer Leistung gehalten, wenn
der Kontrollstab herausgezogen wird,
(5) die Reaktivität des KontroTIstabes zum kalten Abstellen
des Reaktors wird in den Bereichen der höchsten Reaktivität maximalisiert und die Wirkungen des Kontrollstababbrandes
auf die Steuerung des kalten Abschaltens wird
minimalisiert, und
(6) die Störung der lokalen und globalen Leistung durch die Kontrollstäbe, die für die Leistungsformung bei Nennleistung
benutzt werden, wird minimalisiert und die Lebens-
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dauer der Kontrollblätter wird für die Kontrollblätter
raaximalisiert, die im Leistungszustand eine merkliche
Neutronenbelastung ansammeln.
Die Anwendung dieser Prinzipien auf die Kontrollzellen-Kernauslegung
resultiert in einem grösseren thermischen Spielraum, in erhöhten Kapazitätsfaktoren der Anlage, in
einem einfacheren Reaktorbetrieb, in einer verminderten Wahrscheinlichkeit für Fehler durch das Betriebspersonal,
in einer verbesserten Sicherheit, einer verbesserten Brennstoffzuverlässigkeit, einer verbesserten Brennstoffzykluswirtschaftlichkeit,
in einer vereinfachten Brennstoff herstellung und einer verbesserten Lastfolgegeschwindigkeit
und einem verbesserten Lastfolgebereich. Weiter vereinfacht die verminderte Zahl der Kontrollstabmustervariablen
die Auslegung und erhöht die Möglichkeit zur Anwendung einer vollautomatischen direkten Leistungsformkontrolle.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines mit Wasser gekühlten und moderierten Kernreaktors, der
Bestandteil eines dampferzeugenden Systems ist,
Figur 2 eine schematische Draufsicht einer Brennstoffzelle eines Reaktorkernes,
Figur 3A eine schematische Draufsicht auf ein Viertel eines Reaktorkernes, die eine mögliche Anordnung
der KontrollzeHai zeigt,
Figur 3B eine schematische Draufsicht eines Viertels eines Reaktorkernes, die eine andere Anordnung der
Kont ro1lze1len ze i gt ,
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Figur 1A eine schematische Draufsicht, die die Anordnung von Kontrollzellen für einen anfänglichen Kern
zeigt,
Figuren 4B-4F Anordnungen von Brennstoffeinheiten zur
Verwendung im Kern nach Figur 4A,
Figur 4G beispielhafte Verteilungen von abbrennbaren Absorbern
in den Brennstoffelementen,
Figur 5 die Gruppenbezeichnungen der Kontrollstäbe der Kontrollzellen,
Figuren 6A-6C schematische Draufsichten, die das beispielhafte Nachfüllen neuen Brennstoffes in im
Gleichgewicht befindlichen Kernanordnungen zeigen,
Figur 7 eine beispielhafte Brennst offeinheil zum Nachfallen
des Kernes mit Brennstoff,
Figur 8A beispielhafte Kontrollstabmuster zu verschiedenen
Zeiten während*des Betriebszyklus eines Reaktorkernes ,
Figur 8B die lokale Leistungsveränderung in einer hochreaktiven Brennstoffeinheit in einem Kern nach dem
Stand der Technik für verschiedene Positionen eines Kontrollstabes benachbart einer solchen
Brennstoffeinheit,
Figur 8C eine typische lokale Leistungsveränderung in einer
Brennstoffeinheit in einer KontrolLzelle für
verschiedene Positionen des Koni rolls tabes in der Kontrollzelle,
Figur 8D eine typische lokale Leistungsveränderung in einer hochreaktiven Brennstof!einheit in einer Nichtkontrollzelle
für verschiedene Positionen des Kontrollstabes in einer benachbarten Kontrollzelle,
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Figuren 9A-9D einen beispielhaften Kontrollstab mit Antrieb
zur Verwendung in den Kontrollzellen des Reaktorkernes und
Figur 10 einen beispielhaften Kontrollstab mit Antrieb
zur Verwendung in den Nichtkontrollzellen des Reaktorkernes.
Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, wird sie im folgenden in ihrer Anwendung auf einen mit Wasser
gekühlten und moderierten Kernreaktor der Siedewasserart beschrieben, von der ein Beispiel in vereinfachter schematischer
Form in Figur 1 dargestellt ist. Ein solcher Reaktor weist ein Druckgefäss 10 auf, das den Kernreaktorkern
11 eingetaucht in einem KuhLmitte l/Moderator,
wie leichtem Wasser,enthält. Dieser Kern 11, der von
einem Umhiillungsring 12 umgeben ist, weist eine Vielzahl austauschbarer Brennstoffeinheiten 13 auf, die im Abstand
zueinander zwischen einem oberen Kerngitter W und einer unteren Kernplatte IG angeordnet sind.
Eine Vielzahl von Kontrollstab-Antriebsgehäuserohren 17
enthält Kontrollstabantriebe, durch die eine Vielzahl von
Kontrollstäben 18 selektiv zwischen die Brennstoffeinheiten 13 einführbar ist, um die Reaktivität des Kernes zu
kontrollieren bzw. zu steuern. Jedes der Gehäuserohre 17 ist mit einem Stutzteil lü für Brennstoffeinheiten versehen,
wobei jedes der Stützteile 19 mit Fassungen zur Aufnahme der Nasenstücke 21 von vier benachbarten Brennstoffeinheiten
ausgebildet ist. Die Nasenstücke 21 und die Stützteile 19 sind mit Kühlmitteldurchgängen oder
-Öffnungen zur Verbindung mit einer Kühlmittelkammer 22
versehen. Eine Zirkulationspumpe 23 für das Kühlmittel drückt dieses in die Kühlmittelvorratskammer 22, von der
aus das Kühlmittel durch die Öffnungen in den Stützteilen 19 und in den Nasenstücken der Brennstoffeinheiten nach
oben durch die Brennstoffeinheiten gedrückt wird. Ein
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Teil des Kühlmittels wird dabei in Dampf umgewandelt, der durch eine separate/Trockner-Anordnung 24 zu einer Vorrichtung
zur Nutzung des Dampfes, wie einer Turbine 2(5, gelangt. Das in einem Kondensator 27 gebildete Kondensat
wird mittels einer Pumpe 28 als Speisewasser in den Behälter
10 zurückgeführt.
Jeder Kontrollstab 18 und die ihn umgebenden vier Brennstoffeinheiten
bilden eine Brennstoffzelle des Kernes.
Eine typische Brennstoffzelle 29 ist in Draufsicht in Figur
2 gezeigt, in der die vier Brennstoffeinheiten 13(1)
bis 13(4), die den Kontrollstab 18 umgeben, an ihren oberen Endstücken in einem oberen Kernstutzgitter seitlich
gehalten sind, wobei dieses Gitter durch einander schneidende und miteinander verriegelte Träger 30 und 32 gebildet
ist. Jede der austauschbaren Brennstoffeinheiten 13
setzt sich aus einer Vielzahl langgestreckter Brennstoffelemente
34 zusammen, die im Abstand voneinander zwischen oberen und unteren (nicht dargestellten) Halterungsplatten
abgestützt sind und die von einem rohrförmigen Strömungskanal 36 umgeben sind, der das Kühlmittel zwischen den
Brennstoffelementen nach oben leitet. Eine detailliertere
Darstellung einer solchen Brennstoffeinheit kann in der
US-PS 3 689 358 gefunden werden.
Ein Kernreaktor der beschriebenen Art wird periodisch mit neuem Kernbrennstoff versehen, der in eini· ι gewissen Teil
des Kernes eingeführt wird. Üblicherweise betreibt man den Reaktor für 12 bis 18 Monate zwischen dem Einführen
neuen Brennstoffes, was von der Brennstoffanreicherung,
der Grosse der Brennstoffmenge zum Nachfüllen und den
Versorgungsnetzanforderungen abhängt. Diese Betriebsintervalle zwischen dem Nachfüllen neuen Brennstoffes nennt
man "Nachfüllzyklen".
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Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Brennstoffzellen
des Kernes in einem Muster von Kontroll- und Nichtkontrollzellen angeordnet, indem die Kontrollzellen durch
mindestens eine Nichtkontrollzelle voneinander getrennt sind. Zwei AusfUhrungs formen solcher Muster sind in den
Draufsichten symmetrischer Quadranten beispielhafter Kerne
in den Figuren 3A und 3B gezeigt, in denen die Brennstoffeinheiten der Kontrollzellen 38 mit "C" bezeichnet sind und
die Brennstoffeinheiten der Nichtkontrollzellen 40 mit
"N" gekennzeichnet sind. Beide Muster sind 1/8 Kern-symmetrisch mit einem anderen Muster von Kontrollzellen relativ
zum Zentrum des Kernes (die Kernsymmetrie ist erwünscht , aber kein notwendiges Merkmal der hier beschriebenen
Kontrollzellen-Kernanordnung). Die Kontrollzellen können zwischen den Nachladezyklen in der Zahl zu- oder
abnehmen oder eine Veränderung von einem Muster zu einem anderen erfahren. So könnte z.B. das Muster der Figur 3A
während eines Nachladezyklus von 1 Jahr benutzt werden, während man für den folgenden Nachladezyklus von 1 Jahr
das Kontrollzellenmuster der Figur 3B benutzen könnte.
Die Peripherie des Kernes kann als spezieller Bereich angesehen werden, der z.B. durch steile Flussgradienten
thermischer Neutronen charakterisiert ist. Um die Identifikation der Brennstoffeinheiten zu erleichtern, die vorteilhafterweise
in diesem Bereich benutzt werden, bezeichnet man die für die Peripherie vorgesehenen Brennstoffeinheiten
mit "P" und die BrennstofFeinheiten benachbart dazu mit "I".
Der besseren Übersichtlichkeit halber ist nur ein Viertel
des Kernes gezeigt, doch gibt dies unter Annahme eines symmetrischen Kernes die gesamte Kernanordnung ausreichend
wieder.
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2BA1076
Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Kontrollzellen,
die nachfolgend abgekürzt als C-Zellen 38 bezeichnet werden, mit einem Brennstoff relativ geringer Reaktivität
versehen, während die Nichtkontrollzellen, die nachfolgend abgekürzt als N-Zellen 40 bezeichnet sind, mit einem
Brennstoff relativ hoher Reaktivität versehen sind. So können z.B. in Abhängigkeit von den Anforderungen eines
spezifischen Falles die C-Zellen eine Reaktivität zu Beginn eines Betriebszyklus haben, die äquivalent einer
Frischbrennstoffanreicherung von etwa 0,711 bis 1,2 Gew.%
Spaltstoff ist, wobei ein typischer Wert für einen Kern am Anfang Ο,92Ί Gew.-% Spaltstoff ist und die N-Zellen
können eine Reaktivität haben, die äquivalent ist einer Frischbrennst of f anreicherung von etwa 1,0 bis 2,7 Gew.*?,
oder einen Durchschnittswert in der Grössenordnung von 2,15 Gew.%. Das Verhältnis des spaltbaren Materials in
den N-Zellen zu dem in den C-Zellen hat im allgemeinen einen Maximalwert in Übereinstimmung mit den Beschränkungen
der Kernanordnung, des Betriebes und des Brennstoffzyklus.
Die peripheren Brennstoffeinheiten P sind vorteilhafterweise
mit einem.Brennstoff geringer Reaktivität versehen, z.B. einem, der äquivalent isi einer Frischbrennstoffanreicherung
von naiürlichem Uran (0,711 Gew.%), während
die benachbarten Zwischen-Brennstoffeinheiten I mit einem
hochreaktiven Brennstoff versehen sind, z.B. einem äquivalent einer Frischbrennstoflanreicherung von etwa 3 Gew.%
Spaltstoft'. Die Verwendung der Kombination von peripherem
Brennstoff geringer Reaktivität und Brennstoff hoher Reaktivität benachbart dazu bringt das Entweichen von
Neutronen aus dem Kern zu einem Minimalwert und flacht die radiale Energieverteilung des Kernes ab und verbessert
den Spielraum bezüglich der Grenzen der thermischen Leistungsfähigkeit.
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Beim Hochfahren des Reaktors werden bei den so gemäss der
Erfindung angeordneten Fällen die Kontrollstäbe aus den
N-Zellen und um die Peripherie herum aus dem Kern herausgezogen
und während des Betriebszyklus werden nur noch die Kontrollstäbe der C-Zellen zum Steuern des Energieniveaus
und der Energieverteilung benutzt. Die Betriebsstrategie für die Kontrollstäbe der C-Zellen hängt, neben
anderen Dingen, von der Reaktivitätsverteilung des Brennstoffes
in den benachbarten N-Zellen ab. Beispielhafte Betriebsstrategien für die Kontrollstäbe der C-Zellen
während eines Betriebszyklus werden noch näher beschrieben.
Eine allgemeine Strategie des Reaktorbetriebes ist
von R.L. Crowther in einem Papier mit dem Titel "Burnup Analysis of Large Boiling Water Reactors", Proceedings
of IAEA Panel, Wien 1967, International Atomic Energy
Agency (1968) beschrieben worden. Der darin erläuterte Zustand gleicher Abbrennenergie am Ende des Zyklus (im
englischen:"equal burnup-power end-of-cycle state") wird
als die "Haling-Verteilung" bezeichnet.
Nachdem ein Reaktorkern für eine ausreichende Zahl sich gleichmässig wiederholender Betriebszyklen eingesetzt
worden ist, neigt er dazu, ein "Gleichgewicht" hinsicht lich der Zahl der Anreicherung der Austausch-Brennstoffeinheiten
und ihrer Verteilung im Kern zu erreichen. Einen solchen Kern kann man daher als Gleichgewichtskern be
zeichnen und die Betriebszyklen davon als Gleichgewichtszyklen, üblicherweise wird ein Gleichgewichtskern etwa
jährlich mit frischem Brennstoff versehen, wobei der Er satz bei etwa 1/4 der Brennstoffeinheiten erfolgt. Eine
Brennstoffeinheit für einen Gleichgewichtskern bleibt also etwa vier Jahre im Kern bei einer typischen Bestrah
lung in der Grössenordnung von 26.OOO Megawatt-Tagen pro
Standard-Tonne.
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In einem Gleichgewichtskern gemäss der vorliegenden Erfindung
werden die Brennstoffeinheiten mit dem stärksten Abbrand oder der geringsten Reaktivität der N-Zellen für
den letzten Aufenthaltszyklus dieser Einheiten im Kern in den C-Zellen benutzt. Der N-Zellenbrennstoff ist dabei
besonders zusammengestellt, um seine Anordnung während des letzten Zyklus in den C-Zellen zu gestatten und einen
maximalen thermischen Spielraum und eine maximale Brennstoffzuverlässigkeit
zu schaffen. In einer alternativen AusfUhrungsform der Erfindung werden spezielle Brennstoffeinheiten
in die C-Zellen eingeführt entweder als frischer Brennstoff oder nach dem Aufenthalt in einigen der N-Zellen
für eine bis drei Nachladezyklen.
Beim praktischen Betrieb erreicht ein Reaktor nur selten ein wahres "Gleichgewicht". Die praktische Reaktorkernanordnung
erfordert daher die Möglichkeit der Einstellung der Reaktivität, der Menge des Nachladebrennstoffes, der
Kontrollstabmuster und der Reaktorbetriebsweise, um sich
an die realistischen Variationen in den Reaktorbetriebsbedingungen anzupassen. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch
bewerkstelligt, dass man eine sich wiederholende Reihe von Kontrollzellen und Nichtkontrollzellon in den
zentralen Teilen des Reaktorkernes aufrechterhält sowie
eine periphere Zone geringer■Reaktivität, um den Neutronenverlust
aus dem Kern minimal zu halten, sowie eine Zwischenzone zwischen den zentralen und peripheren Zonen,
die in der Zahl der Brennstoffeinheiten und ihrem Volumen
variieren kann.
Die Zahl der C-Zellen kann daher von einem Nachladezyklus zum anderen variieren. Eine zusätzliche Flexibilität wird
durch die Möglichkeit geschaffen, mit mehr als einer Art von Brennstoffeinheit nachzuladen. Die während des Nachladens
eingeführten Brennstoffeinheit en können hinsichtlich
der Art, der durchschnittlichen Anreicherung, des
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Gehaltes an brennbarem Absorber oder anderen Aufbaueigenschaften variieren und sie können auch aus Brennstoff bestehen,
der von einem früheren Nachladen stammt.
In einem neuen Reaktor, den man gerade angeschaltet hat, ist jedoch üblicherweise der gesamte Brennstoff des Kernes
frisch. Die Brennstoffeinheiten zur Verwendung in einem
solchen neuen Kern können daher so aufgebaut und angeordnet werden, dass sie einen Gleichgewichtskern simulieren,
wodurch der Übergang vom anfänglichen zum Gleichgewichtskern erleichtert wird.
Im folgenden wird die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf den anfänglichen und Übergangszyklusbetrieb des
Reaktors beschrieben.
Die Figuren 4A-4G veranschaulichen eine beispielhafte
Kernkonfiguration und beispielhafte Brennstoffeinheiten
zur Verwendung darin in einem anfänglichen Kern.
Die anfängliche Kernkonfiguration, wie sie in Figur 4A
veranschaulicht ist, benutzt verschiedene Arten von Brennstoffeinheiten,
nämlich C., N , N, , I. und P., die einzeln
IaUl 1
in den Figuren 4B-4F dargestellt sind. In den Figuren 4B-4F sind die mit einem W gekennzeichneten Brennstoffelementpositionen
durch Rohre ohne Brennstoff eingenommen, die oben und unten Öffnungen haben, durch die der Wassermoderator
strömt, wie z.B. in der US-PS 3 802 995 beschrieben. In den Figuren 4C, 4D und 4E enthalten die Brennstoffelemente,
die mit BA bezeichnet sind, einen abbrennbaren Absorber, wie Gadolinium, im Gemisch mit Teilen des Brennstoffmaterials.
Eine beispielhafte axiale Verteilung eines solchen abbrennbaren Absorbers ist in der Figur 4G gezeigt.
Solche einfachen Anordnungen abbrennbaren Absorbers sind im Kern mit Kontrollzellen und dessen Bei rieb gemäss der
Erfindung möglich, weil in solchen Anordnungen die Kontroll-
030017/0786
— Jb —
stäbe bei Leistung nicht benachbart von Brennstoffeinheiten
eingesetzt werden, die beträchtliche Mengen unabgebrannten
abbrennbaren Absorbers enthalten. Auf diese Weise werden die durch die Kontrollstäbe und ihre Wechselwirkung
mit dem Abbrennen abbrennbaren Absorbers verursachten Störungen der Leistungsverteilung vermieden. Wie in den Figuren
4C und 4d ersichtlich, können gewisse der Brennstoffelemente
in Abhängigkeit von den Anforderungen des besonderen Kernes und der Position der Brennstoffeinheit im Kern .
abbrennbaren Absorber enthalten oder nicht.
Die Brennstoffeinheiten C., N , N. , I. und P. sind in der
χ a υ χ χ
Konfiguration der Figur 4A in einer Weise angeordnet, dass
die volle Leistungsfähigkeit des Kernes durch den anfänglichen
Betriebszyklus maximiert wird, während gleichzeitig die Sicherheitsbeschränkungen eingehalten werden. Die periphere
Zone, etwa 1/8 des Kernvolumens, ist mit den gering angereicherten Einheiten P. (vergleiche Figur 4F) ausgestattet,
um das Entweichen von Neutronen aus dem Kern minimal zu halten. Die hochangereicherten Brennstoffeinheiten
I. (vergleiche Figur 4S), die benachbart den peripheren Einheiten angeordnet sind, unterstützen das Abflachen
der radialen Leistungsverteilung des Kernes,um eine verbesserte
thermische Leistung zu erhalten.
Die Brennstoffeinheiten C. (vergleiche Figur 4B) sind zur
Verwendung in den C-ZeIlen während des anfänglichen Betriebszyklus
ausgelegt. Zusätzlich zur geringen Durchschnittsanreicherung ist die Anreicherungsverteilung der
Brennstoffelemente der Einheit so konstruiert, dass die
Brennstoffelemente der geringsten Anreicherung in den
Stellen am nächsten zum benachbarten Kontrollstab sitzen. Die Verteilung der Brennstoffelemente ist optimalisiert,
um eine Anpassung an lange Perioden des Leistungsbetriebes zu erhalten, wobei der Kontrollstab benachbart dem Brenn-
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stoff eingeführt ist. Diese Anordnung gestattet der Einheit die Anpassung an die erforderlichen langen Perioden
benachbart dem eingeführten Kontrollstab, gefolgt von
einem nachfolgenden Herausziehen des Kontrollstabes und
der damit verbundenen lokalen Leistungsspitze aufgrund
der Geschichte früherer Kontrollstabeinlührung. Die Brennstoffeinheit C. kann auch als Alternative tür die Brennstoffeinheit
P. in den peripheren Orten des Kernes benutzt werden.
Die Brennstoffeinheiten N , N. und I. sind für den anfäng-
3 L) 1
liehen Aufenthalt in den N-Zellen und eventuelle Verwendung
in den C-Zellen ausgelegt, nachdem sie ausreichend bestrahlt worden sind. So können z.B. die Brennstoffeinheiten
ü in die C-Zellen für den zweiten Zyklus, die Einheiten N. für den dritten Zyklus und die Einheiten I.
für den vierten Zyklus eingeführt werden. Zu den Auslegungsmerkmalen
dieser Einheiten, die eine solche Verwendung gestatten, gehört die einzigartige Verteilung der
Brennstoffanreicherung, die den Betrieb während des letzten
Zyklus gestattet, wobei die Kontrollstäbe für lange
Betriebsperioden eingeführt sind.
In einem alternativen Schema werden neue, noch nicht bestrahlte Brennstoffeinheiten C. bei jedem Nachladezyklus
in die Kontrollzellen eingeführt. Die Brennstoffelemente
dieser Einheiten können mit speziellen Schutz vor den grossen Delta-Leistungen versehen werden, die bei der
benachbarten Kontrollblattbewegung auftreten, wobei für diesen Schutz plattierte Sperren benutzt werden, wie sie
in der US-PS 3 925 151 beschrieben sind.
Der Betrieb des Kernes mit den Kontrollzellen schliesst
das Herausziehen aller Kontrollstäbe mit Ausnahme der
aus den C-Zellen ein, wenn der Reaktor auf Leistung hochgefahren wird. Der Betrieb im Leistungszustand wird dann
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durch die Kontrollstäbe der C-Zelieη gesteuert. Die Betriebes trat eg ie der C-ZellenkontroIlstube kann sehr einfach sein, insbesondere verglichen mit den Betriebsstrategien der Kontrollstäbe nach dem Stande der Technik.
Das einzigartige Muster der Brennstoffeinheiten, das in
Figur 4A gezeigt ist, gestattet auch ein leichtes Anfahren des Reaktors und eine Flexibilität bei« Betrieb. Die
Brennstoffeinheilen Na alt der nächst niedrigen Reaktivität (vergleiche Figur 4C) sind in 1/8 Kern-symmetrischen
alternativen Kontrollzellenpositionen angeordnet. Während
des Anfahrens «erden die Kontrollstäbe an den N -Positionen dazu benutzt, teilweise die Dampfblase, die Doppler—
und Xenon-Reaktivität zu steuern und sie sind die letzte Gruppe von Kontrollstäben, die herausgezogen wird, bevor
man nur noch die Kontrollstäbe in den C.-Positionen benutzt, um den Kernbetrieb zu steuern. Dies minimalisiert
die lokale Leistung jenseits der Spitzen der Kontrollblätter, die bei geringer Reaktorleistung bewegt werden
und erleichtert ausserdem ein rasches und zuverlässiges Anfahren des Reaktors.
Während des folgenden Nachladezyklus kann die Position
der Kontrollzellen C, in die N -Positionen verändert
i a
werden, wobei die Brennstoffeinheiten der C.-Positionen
entweder aus dem Reaktorkern herausgenommen oder zu den peripheren Positionen P, überführt werden und die Brennstoff einheiten in den N.-Positionen können zu den C.-Po-
b 1
sitionen bewegt werden, wobei die frischen Brennstoffeinheiten dann in die so frei gewordenen N.-Positionen eingeführt werden.
Beim nächst folge ndeti Nachladezyklus kehren die Kontrollzellen in die in Figur 4A gezeigten C.-Positionen zurück.
Dieser gekoppelte Nachlade- und Betriebsplan reduziert die Zahl der Brennstoffeinheiten, die während eines Nach-
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ladens bewegt werden nuss. Weiter unten wird ein integrierter Gleichgewichtsnachladeplan unter Anwendung einer
ähnlichen Strategie näher erläutert.
Us wird eine beispielhafte Betriebsstrategie eines Kontrollstabes einer C-ZeHe mit Bezug auf Figur 5 erläutert,
die die Kontrollstäbe der C-ZeIlen veranschaulicht, die
•le Teile von acht Gruppen davon bezeichnet sind.
Unter Benutzung der Gruppenbezeichnungen der Figur 5 ist eine typische Auswahl des Kontrollstabmusters der C-ZeIlen
während des Zyklus folgendermassen:
(1) Die Kontrollstäbe der Gruppen 1,2 und 8 werden bis zu relativ tiefen Stellungen eingeführt. Sie werden benutzt,
die Reaktivitätsänderungen während des Zyklus zu kompensieren, bis etwa 1/3 ihrer Länge aus dem Kern herausgezogen ist. Dann werden sie vollkommen aus dem Kern herausgezogen.
(2) Die Kontrollstäbe der Gruppe 3 werden zu einer Zwischenposition mit Bezug auf die Stäbe der vorgenannten
Gruppen eingeführt, um den Kern kritisch zu machen,wobei
die radiale Bruttoleistungsverteilung des Kernes eine
Spitze auf das Zentrum des Kernes zu aufweist und diese zentrale Spitze mindestens gleich der oben erwähnten
Haling-Abbrennverteilung ist.
(3) Die Kontrollstäbe der Gruppe 7 werden von flachen bis zu tiefen Positionen eingeführt und sie dienen einer Doppelrolle. Sie werden benutzt, die radiale Leistungsverteilung des Kernes während der Teile des Zyklus zu gestalten,
in denen die Kontrollstäbe der Gruppe 1 und 2 tief eingeführt sind. Ausserdem sorgen sie für die axiale Leistungsgestaltung, die erforderlich ist, eine annehmbar begrenzte
Leistungsdichte in den den peripheren Baueinheiten benachbarten hochreaktiven Brennstoffeinheiten aufrechtzuerhalten.
Weiter sind die Kontrollstäbe der Gruppe 7 während Lastfol-
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- 30 -
ge-, Anfahr- und anderen Betriebszuständen, die Flexibilität
des Betriebes erfordern, tief eingeführt, so dass aufgrund eines teilweisen Herausziehens dieser Kontrollstäbe
der Gruppe 7 die lokale Leistungsdichte in dem dem Blattspitzen abliegenden Brennstoff geringer ist als die
Grenzleistung der Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung und daher können diese Kontrollstäbe bei der Nennleistung
aus ihren tiefen Positionen herausgezogen werden.
(4) Die Kontrollstäbe der Gruppen 4 und 5 werden nur für die axiale Leistungsgestaltung während des Teiles des Zyklus
benutzt, in dem die Kontrollstäbe der Gruppen 1, 2 und 8 eingeführt sind. Während dieser Zeit werden sie nur
soweit eingeführt, wie es erforderlich ist, die annehmbaren
Leistungsdichten-Spielräume in den benachbarten hochreaktiven Brennstoffeinheiten aufrecht zu erhalten. Sind
die Kontrollstäbe der Gruppen 1,2 und 8 vollkommen herausgezogen, dann sind die Kontrollstäbe der Gruppen 4 und 5
eingeführt, um die Rolle der- Reakt ivitätskontrolle für den Rest des Zyklus zu übernehmen. Dieser Austausch der Kontrollstäbe
der Gruppen 1,2 und 8 mit den Kontrollstäben der Gruppen 4 und 5 wird manchmal vorgenommen, um die
Spitzenleistungsdichte in den C-Zellenbrennstoffeinheiten
auf einem Minimalwert zu halten. Da die Brennstoffeinheiten
der C-ZeIlen in den Zellen der Gruppen 4 und 5 zum Zeitpunkt des Austausches oberhalb ihrer Mittelebene nicht
mit einem Kontrollstab in Berührung gekommen sind, haben sie eine geringere lokale Leistungsspitze, als die Brennstof
feinheiten der Kontrollzellen der Gruppen 1,2 und 8, wenn der Austausch nicht stattgefunden hätte.
(5) Schliesslich werden die Kontrollstäbe der Gruppe 6
nur soweit eingeführt, wie es erforderlich ist, um eine
annehmbare Leistungsdichte in den hochreaktiven Brennstoffeinheiten aufrecht zu erhalten oder eine Tiefensteuerung
und eine Betriebsflexibilität bei voller Leistung ähnl'ich
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der Anwendung der Kontrollstäbe der Gruppe 7 zu liefern.
Am Ende eines Betriebszyklus wird der Reaktor zum Nachfüllen von Brennstoff abgestellt. Normalerweise werden die
peripheren Einheiten aus dem Kern herausgenommen. Die Brennstoffeinheiten der C-Zellen werden aus diesen und aus
dem Kern herausgenommen oder in einigen Fällen können diese Brennstoffeinheiten in die Positionen der peripheren
Einheiten gebracht werden, um dort noch für einen weiteren Betriebszyklus im Kern zu verbleiben. Die C-Zellen werden
mit den Brennstoffeinheiten der N-Zellen versehen, die den stärksten Abbrand und die geringste Reaktivität haben.
Es können auch stark abgebrannte Brennstoffeinheiten aus
den N-Zellen in die peripheren Brennstoffeinheit-Positionen
überführt werden. Frische Brennstoffeinheiten werden in
die N-Zellen eingeführt, vorzugsweise in einer verteilten Weise, wobei diese frischen Brennstoffeinheiten eine Anreicherung
aufweisen, die geeignet ist die erforderliche Reaktivität während des nächsten Betriebszyklus zur Verfügung
zu stellen.
Eine beispielhafte Konfiguration eines nachgeladenen Kernes
gemäss der vorliegenden Erfindung ist in der Figur 6A gezeigt, in der die unten angebrachten Zahlen 0 bis 3 die
Zahl der Zyklen angeben, während der Brennstoff zum Zeitpunkt dieses Nachladens bereits bestrahlt worden ist.
Ein alternatives Muster, das eine ähnliche Verteilung der Reaktivität wie der anfängliche Kern der Figur 4A liefert,
ist in Figur 6B gezeigt. Der Brennstoff für den fünften Zyklus an der Peripherie (P,-Positionen) ist üblicherweise
peripherer Brennstoff des vierten Zyklus aus einem früheren Zyklus, kann aber auch Brennstoff sein, der aus Kontrollzellpositionen
dorthin bewegt worden ist. Dieses Muster kann beim Gleichgewicht wiederholt werden, indem man
die P4-» Co- und/oder P3~Brennstoffeinheiten aus dem Kern
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- 11 -
herausnimmt, die N„- und/oder Cg-Brennstoifeinheiten in
die P-Positionen bewegt, die N„- Brennstoffeinheiten in
die Co-Positionen bewegt, die N..-Brennstof feinheiten in
die früheren Ng-Positionen bewegt und frischen Brennstoff in die nun frei gewordenen Nj-Positionen einführt.
Figur 6C veranschaulicht ein anderes Lademuster ähnlich
dem der Figur 6D mit der Ausnahme, dass die Kontrollzellen mit Bezug auf das Zentrum des Kernes in verschiedenen
Stellungen angeordnet sind, ähnlich wie bei der Kernanordnung der Figur 3B. Die Kontrollzellen der Anordnung der
Figur 6C befinden sich in den gleichen Positionen wie Zellen des N„-Brennstoffes in der Anordnung der Figur 6B.
Da die N2-Brennstoffeinheiten dafür eingeteilt sind,während ihres letzten Zyklus in den Kontrollzellen benutzt
zu werden, kann die Zahl der Brennstoffeinheiten, die
während des Nachladens bewegt werden muss, auf einem Minima lwert gehalten werden, indem man von dem Kontrollzeilmuster der Figur GB bei einem Nachladezyklus zu dem
Muster der Figur 6C beim folgenden Nachladezyklus, zu dem Muster der Figur GB bei dem danach folgenden Nachladezyklus usw. wechselt. Diese Alternative breitet die
Verwendung und den Abbrand der kontrollblättsr über eine
grössere Zahl von Kontrollstäben aus und erfordert etwa
die doppelte Zahl an eine Spezialfunktion ausübenden
lange gebrauchsfähigen Kontrollstäben für die Leistungsgestaltung und ihre Iteaktivit ätskont rolle innerhalb der Kontrollzellen.
Ein Beispiel einer Nachlade-Brennstoffeinheit zur Verwendung als der frische Brennstoff N„ in der Kernanordnung
der Figuren 5,6A und 6C ist in Figur 7 gezeigt. Bemerkenswert bei dieser Auslegung sind die eine relativ geringe Anreicherung habenden Brennstoffelemente in der
Kontrollstabecke der Einheit, was die Auswirkungen der
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Konirollstabgeschichte minimal hält und die Verwendung
der Baueinheil in den C-Zellenpositionen gestattet, nachdem
sie in den N-Zellen bestrahlt worden ist.
Spezielle Brennstoffelemente können in den Brennstoffelement-Positionen
innerhalb der Brennst of Feinheiten für das Nachladen oder dem anfänglichen Reaktorkern benutzt
werden, die aufgrund von Leistungsänderungen oder einer
Wechselwirkung zwischen Brennst offpellet und Umhüllung einer Beschädigung am meisten unterliegen, z.B. in den
Positionen 3, 4, 5 und 7 der Nachlade-Brennstoffeinheit
der Figur 7. Solche speziellen Brennstoffelemente können
mit schützenden Umhüllungssperren hergestellt werden, wie einer Schicht aus Kupfer oder reinem Zirkonium, die
die Umhüllung vor dem Angriff der Spaltprodukte schützt.
Solche beschädigungsbeständigen Brennstoffelemente können
auch ringförmige Brennst offpel lets und/oder Brennstoffpellets
enthalten, die einen zusäizlichen Weichmacher aufweisen.
Die Baueinheilen der vorliegenden Erfindung ko nen eine
grössere oder geringere Menge abbrennbaren Absorbers enthalten in Abhängigkeit von den Kernanforderungen und der
Position der jeweiligen Baueinheit im Kern.
Ein Beispiel des Kontrollstabmusters der C-Zellen bei verschiedenen
Bestrahlungen E während eines Betriebszyklus des Gleichgewichtskernes der i-igur «3 λ ist in ;<'i,jur 8A gezeigt.
Die Kontrollstäbe werden in Gruppen betrieben und
die Gruppenbezeichnungen 1 bis 8 sind die gleichen wie in Figur 5. Die Zahlen in den Quadraten, die die C-Zellen
repräsentieren, zeigen die prozentuale Einführung der
Kontrollstäbe der Zellen an. Hundert bedeutet somit der Kontrollstab ist vollkommen eingeführt und O bedeutet er
ist vollkommen herausgezogen.
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Ausserhalb der Kontrollzellen werden keine Kontrollstäbe
beim Betrieb hoher Leistung benutzt und die Bewegung der
Kontrollstäbe der Konirollzellen ist während des Reaktorbetriebes
auf einem Minimalwert gehalten.
Die Figur 8B veranschaulicht die relative Leistung benachbart
einem Kontrollstal) als Funktion der Kont rollstabposit
ion des vom Boden aus eingeführten Kontrollstabes für
einen Kern der konventionellen \uslegung und des konventionellen
Betriebes. Diese e'igur veranschaulicht die Wirkungen
der verminderten D^mpf blaseninjekt ion in den oberen
Teil des Kernes mit der sich daraus ergebenden Leistungserzeugung
mit hohen Spitzen, obwohl der Kontrollstab in den Boden des Kernes eingeführt ist.
Die l''igur 8C zeigt ähnliche Kurven der relativen Leistung
gegen die Kontrollstabposition für einen Kern der Auslegung
und des Betriebes gemäss dem Kontrollzellenkernkonzept
der vorliegenden Erfindung. Es ist zu bemerken, dass, verglichen mit dem üblichen Kern der Figur 8B, die Spitzenleistung
benachbart dem Kontrollblatt beträchtlich verringert
ist. Es ist schwieriger in dem Kern eine hohe oder tiefe Leistungsspitze zu erreichen, die Kontrollblätter
können tiefer in den Kern eingeführt werden, ohne Leistungsspitzen
zu erhöhen und die vollkommen herausgezogene Position des Kontrollblattes führt zu einer Abnahme
der Leistung über etwa die oberen 8(Xi des Brennstoffes.
Figur 8D zeigt die Wirkungen der Kontrollstabbewegung innerhalb
der Kontrollzellen gemäss der Erfindung auf den hochreaktiven Brennstoff in den Nichtkontrollzellen. Verglichen
mit der Leistungsverteilung beim hochreaktiven
Brennstoff der konventionellen Auslegung (Figur 8B) ist
die Veränderung der Leistung (kw/ft ) während der Kontrollblattbewegung
geringer, die Kontrolle über die axiale Leistungsspitze dieses Brennstoffes aufgrund partiellen
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Einschubs des Kontrollzellenblattes ist besser, es gibt
einen glatteren Übergang von einem Kontrol1stabzustand
zum anderen, die Leistungszunahme im Oberteil des Kernes
ist sehr viel geringer und die lokale Leistungsspitze
des Reaktors ist vermindert.
Mit dem Kontrollzellen-Betriebsmodus nach der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, KontrollbLätter durch
den Boden etwa 17% in den Kern einzuschieben, ohne dass
eine merkliche Zunahme der Spitzenleistung in dem Brennstoff
der Kontrollzellen oder dem hoclireaktiven Brennstoff
ausserhalb der KontrollzeIlen, d.h. in den Nichtkontrollzellen,
auftritt. Der Einschub der Kontrollblätter der Kontrollzellen in zentrale Kernpositionen reduziert
die Spitzenleistung des Brennstoffes in den benachbarten Nichtkontrollzellen deutlich. Diese Trends
können dazu benutzt werden, optimalere Leisiungsverteilungen
mit dem Kern mit Kontrollzellen zu erhalten, als
dies mit den bekannten Kontrollmethoden möglich war.
Ein wichtiges Merkmal des KontrollzelLenkernes nach der
vorliegenden Erfindung ist die Trennung der Funktionen der Kontrollstäbe der C-Zellen und der N-Zellen. Die
Kontrollstäbe der C-Zellen, die Tür die Kontrolle des Leistungsniveaus und der Leistungsverteilung des Kernes
benutzt werden, umfassen nur etwa ein Viertel der Kontrollstäbe. Der Rest der Kontrollstäbe, die sich ausserhalb
der C-Zellen befinden, haben das Abstellen des Reaktors als Haupt funkt ion. Diese Trennung der Funktionen
und die Minimalisierung der Zahl der Kontrollstäbe, die
für die Leistungskontrolle des Kernes benutzt wird, macht die Anpassung der Auslegung der Kontrollstäbe und ihrer
Antriebe zur Ausführung der jeweiligen Funktion in einer Weise möglich, die nicht praktisch wäre, wo alle Kontrollstäbe
und deren Antriebe der Doppeltunkt ion der Leistungsverteilung und dein Abstellen des Reaktors dienen
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- 15 müssen.
So ist es z.B. erwünscht, dass die Kontrollstäbe der C-ZeIlen
eine lange Lebensdauer haben und dass sie nur eine graduelle,nicht aber eine abrupte Veränderung in
der lokalen Leistung des benachbarten Brennstoffes verursachen, wenn sie bewegt werden. Ein beispielhafter
Kontrollstab 181 und ein Antrieb 171 dafür, die zur Verwendung in C-Zellen geeignet sind, sind in den figuren
9A bis 9D gezeigt.
Der Kontrollstab 181 ist aus einem oberen Gusskörper 42 gebildet, der mit einem Handgriff 44 ausgebildet ist und
der durch einen kreuzförmigen Zentralpfosten 18 mit einem
unteren Gusskörper 46 verbunden ist. Der untere Gusskörper 46 ist mit einem Geschwindigkeitsbegrenzer 50, Führungsrollen
52 und einer Kupplungsfassung 51 zur Befestigung am Antrieb 171 ausgebildet. Der obere Gusskörper 12
ist ebenfalls mit Führungsrollen .j5 versehen, durch die
der Kontrollstab 181 seitlich zwischen den BrennstofCeinheiten
abgestützt wird.
An dem zentralen Ständer 18 und dem oberen und unteren Gusskörper 42 bzw. 46 sind U-förmige Hüllen angebracht,
um die vier Blätter 56(1) bis 56(4) des Kontrollstabes
zu bilden. Innerhalb jedes der Blätter ist eine Vielzahl von Neutronenabsorberstäben 58 angeordnet. Ein typischer
Absorberstab, wie er in der Figur i>B gezeigt ist , ist
aus einem abgedichteten Rohr 60 gebildet, der ein geeignetes Neutronenabsorbermaterial enthält, z.B. in Form
von natürlichem Borkarbid (B.C)-Pulver 62. Die Säule aus
Pulver 62 ist durch eine Reihe im Abstand voneinander angeordneter Kugeln 61 in Segmente unterteilt, wobei die
Kugeln durch auf dem Umfang der Wand des Rohres 60 angeordnete Einbuchtungen 66 in ihrer Bewegung eingeschränkt
sind. Diese Anordnung hilft das Auftreten von Hohlräumen
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- IG -
in der Pulversäule 62 zu vermeiden und verhindert auch
den Verlust des gesamten Pulvers aus dem Rohr, für den Fall,dass ein Bruch in einem Teil davon auftritt.
Die Kontrollstäbe, die in den Kontrollzellen angeordnet
sind, sollen eine minimale Einwirkung auf den benachbarten Brennstoff haben und daher die lokale Leistungsveränderung
minimalisieren, wenn das Kontrollstabblatt herausgezogen
wird. Dies wird zu einem gewissen Masse dadurch ermöglicht, dass man das kontro listabblatt mit
einer sogenannten "grauen Spitze" versieht, die sowohl den Waesermoderator verdrängf als auch weniger Neutronen absorbiert,
als die ansonsten im Kontrollblatt vorhandenen stärkeren Kontrollmaterialien.
Die Kontrollblätter, die in den Kontrollzellen angeordnet sind, sollen eine lange Lebensdauer haben. Die Spitzen
und Kanten der Flügel der Kontrollblätter absorbieren die
maximale Zahl von Neutronen und begrenzen so die Lebensdauer des Kontrollblattes. Die selektive Verwendung eines
Materials langer Lebensdauer, das keine gasförmigen oder
in anderer Weise beschädigenden Reaktionsprodukte aufgrund
des Neutroneneinfanges in den Bereichen hohen Neutroneneinfanges
der Kontrollblätter erzeugt, verlängert
die Lebensdauer des Kontrollblattes.
Merkmale, die den Kontrollstao 181 zur Verwendung in den C-Zellen anpassen, sind die folgenden:
Der Kontrollstab 181 kann auf verschiedene Weise mit einer langen Lebensdauer oder "einer grauen Spitze" ausgebildet
werden. Unter "graue Spitze" wird verstanden, dass die Kontrollstärke graduell von der Spilzc oder dem
Endstück mit dem Handgriff aus zunimmt. Wie in »"igur 1·.\
gezeigt, ist der Handgriff 11 weiter und langer als üblich
ausgebildet und er besteht z.B. aus korrosionsbeständigem
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Siahl, der zwar ein Neutronenabsorber ist, aber eine
sehr viel geringere Kontrollstärke hat als Bor. Der vergrösserte Handgriff 44 verdrängt daher Wasser und
sorgt für einen Übergang der Kontrollstärke von der
Spitze zum Hauptkörper des Kontrollstabes.
Eine andere Art der Schaffung einer grauen Spitze und
eines langlebigen Kontrollstabes 181 ist in Figur UC gezeigt. Hierbei füllt man die Rohre 60 der Absorberstäbe
58 der Kontrollstabblätter 56(1) bis 56(4) mit dem Absorbermaterial 62 fortschreitend weniger hoch in
Richtung auf die Aussenkanten der Blätter.
Eine weitere Anordnung, die sowohl die Wirkung einer grauen Spitze hat als auch eine längere Lebenszeit für
das Kontrollblatt mit sich bringt, ist in Figur 9D gezeigt. Bei dieser Anordnung ersetzt ein geeignetes Neutronenabsorbermaterial,
wie Hafnium, das Bor im oberen Vierundzwanzigstel bis Viertel der Länge des inneren Absorberstabes
und in der ganzen Länge eines oder mehrerer der äusseren Absorberstäbe 58. Wegen der steilen Neutronenflussgradienten
in einem Kontrollblatt haben die Spitzen und die äusseren Absorberstäbe den höchsten einfallenden
Neutronenfluss, die grösste Neutroneneinfangrate und daher die kürzeste Lebensdauer. Hafnium in diesen
Positionen ergibt eine längere Lebensdauer als B4C, weil
Hafnium keine beschädigenden Reaktionsprodukte einschliesslich Gasen erzeugt, wie das bei B.C der Fall ist.
Auch ist Hafnium ein weniger starkes Absorptionsmittel
für thermische Neutronen als B4C, doch ist es ein starker
Absorber epithermischer Neutronen. Es absorbiert daher weniger thermische Neutronen, tritt aber hinsichtlich
der epithermischen Neutronen in einen stärkeren Wettbewerb mit U-238. Das Ergebnis ist eine verminderte
Umwandlung von U-238 und daher verminderte Wirkungen der
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Kontrollstabgeschichte. Die grössereu Kosten von Hafnium
können IUr den Gebrauch in kontrollstäben von C-Zelien
gerechtfertigt werden, weil sie nur wenige Koni rollstäbe
des Kernes betreffen und darüber hinaus den stärksten Belastungen ausgesetzt sind. Die Kontrol lstabauslegung
der Figur t)D minimalisiert die Kosten durch Anordnen
des teuren Hafniums nur in dem Bereich des Kontrollblattes, wo dieses Material notwendig ist, um die Lebensdauer
des Kontrollblattes zu verlängern.
Schliesslich ist zur Verminderung der Änderungsgeschwindigkeit
bei der lokalen Leistung im benachbarten Brennstoff bei Bewegung des Kontrollstabes erwünscht, dass
der Kontrollstabantrieb 171 (vergleiche Figur VA) von der
Art mit Feinbewegung ist. Ein geeigneter Antrieb mit kombinierter Feinbewegung und Schnellbewegung ist in der
US-PS 3 734 824 gezeigt.
Die Kontrollstäbe ausserhalb der C-Zellen, d.h. die Kontrollstäbe
der N-Zellen, werden herausgezogen, wenn der Reaktorkern im Leistungszustand ist. Deshalb haben diese
Kontrollstäbe eine lange Lebensdauer und können aus stärker absorbierendem und teurerem Material hergestellt werden,
um ihre Fähigkeit,den Keaktor kalt abzustellen, maximal
zu gestalten.
Ein Beispiel eines Kontrollstabes 182 und eines Antriebes
172 zur Verwendung in den N-Zellen ist in Figur 10 dargestellt. Die allgemeine Anordnung des Kontrollstabes 182
ist ähnlich der des Kontrollstabes leider Figur 9A. Diese
allgemeine Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
In einem Siedewasserreaktor z.B. ist im kalten Zustand der Brennstoff im oberen Teil des Kernes am reaktionsfähigsten.
Es Is t daher in den Kontrollstäben der N-Zellen
nicht erforderlich, ein teureres und stärker neutro-
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nenabsorbierendes Material zu benutzen mit Ausnahme des
oberen Viertel oder Drittel der Absorberstäbe. Das in Figur IO gezeigte einzigartig starke Blatt der Absorberstäbe
zua Abstellen des Reaktors enthält daher z.B. Bor-IO
Karbid im oberen Drittel der Blätter 5ol(l) bis 56«(4)
und das übliche B.C in den unteren zwei Dritteln der Länge der Blätter.
Schliesslich kann der Kontrollstabantrieb 172 relativ
einfach sein, um stufenweise und Sehne 11bewegung zu erzeugen.
Ein solcher geeigneter Antrieb ist z.B. in der US-PS 3 O2O 887 beschrieben.
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