DE2947936A1

DE2947936A1 - Kernreaktor-spaltzone

Info

Publication number: DE2947936A1
Application number: DE19792947936
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Kobayashi; Renzo Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-11-29
Filing date: 1979-11-28
Publication date: 1980-06-04
Also published as: SE443258B; DE2947936C2; JPS623916B2; JPS5572891A; SE7909817L; US4324615A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Kernreaktor-Spaltzone

Die Erfindung bezieht sich auf die Auslegung einer Kernreaktor-Spaltzone, insbesondere eine verbesserte Brennelement-Anordnung in der Spaltzone eines Siedewasserreaktors.

Bei herkömmlichen Siedewasserreaktoren erfolgt die Steuerung der Überschußreaktivität sowie der Energieverteilung durch Ändern der Stellstab-Einführung, des Kühlmittel-Durchsatzes und der im Spaltstoff enthaltenen Menge abbrennbaren Reaktorgifts.

Eine Betätigung der Stellstäbe zwecks Änderung ihrer Lage bringt unter Umständen eine drastische Änderung der Spitzenleistung mit sich, was wiederum einen Ausfall der Brennstäbe zur Folge hat. Üblicherweise werden daher die Stellstäbe betätigt, nachdem die Leistung des Reaktors durch entsprechende Einstellung des Durchsatzes des die Spaltzone durchströmenden Kühlmittels bis auf ca. 20 %

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der Nennleistung gesenkt wurde, um eine drastische Änderung der Spitzenleistung zu vermeiden. Somit ist jedesmal, wenn die Stellstäbe bewegt werden müssen, ein Senken der Reaktor leistung erforderlich. Aus diesem Grund wird die Arbeitsleistung des Kernreaktors stark vermindert, und zwar insbesondere dann, wenn die Häufigkeit der Stellstab-Betätigung hoch ist.

Es ist also vorzuziehen, eine Steuerung der Überschußreaktivität und der Energieverteilung durch Stellstab-Betätigung zu vermeiden.

Eine mögliche Maßnahme zur Steuerung der Überschußreaktivität besteht in einer Änderung der Menge von abbrennbarem Reaktorgift, das ein Neutronen absorbierendes Material ist und im Brennstoff der Reaktor-Spaltzone enthalten ist. Es ist nämlich durch die Anwendung des abbrennbaren Reaktorgifts möglich, die Häufigkeit der mechanischen Stellstab-Betätigung geringzuhalten, wodurch die Arbeitsleistung des Kernreaktors verbessert wird. Außerdem ist es möglich, die Energieverteilung in der Spaltzone dadurch zu steuern, daß das abbrennbare Reaktorgift in der Spaltzone in geeigneter Weise verteilt wird .

In der US-Patentanmeldung Nr. 936 133 ist ein Brennelement mit abbrennbarem Reaktorgift angegeben, das eine Vielzahl Brennstäbe mit abbrennbarem Reaktorgift umfaßt.

Dieses Brennelement ist durch eine Mehrzahl Brennstabgruppen gebildet, wobei einige der Gruppen Brennstäbe mit dem abbrennbaren Reaktorgift enthalten. Nach dieser Anmeldung werden die Brennelement-Gruppen, die in 50 %

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des Zentralbereichs der Reaktor-Spaltzone angeordnet sind, als aus einer Mehrzahl Einheiten gebildet angesehen, wobei jede Einheit vier Brennelemente umfaßt. Bei jedem Brennstoff-Wechselvorgang wird eines von vier Brennelementen jeder Einheit durch ein Brennelement mit abbrennbarem Reaktorgift ersetzt, so daß eine genaue Steuerung der Überschußreaktivität sowie der Energieverteilung durch eine möglichst selten notwendige Stellstab-Betätigung möglich ist. Bei diesem Verfahren ist es auch möglich, das beim Auswechseln von Brennstoff erforderliche und zeitaufwendige Umherschieben der Brennelemente geringzuhalten.

Ein ähnliches, abbrennbares Reaktorgift enthaltendes Brennelement ist auch in der US-Patentanmeldung Nr. 942 555 angegeben. Dabei ist das Verhältnis zwischen Reaktorgift enthaltenden Brennstäben und der Gesamtheit der Brennstäbe jedes Brennelements so gewählt, daß das abbrennbare Reaktorgift in dem Brennelement erschöpft ist, wenn eine Betriebszeit des Kernreaktors beendet ist.

In der US-Patentanmeldung Nr. 952 660 ist die Anwendung eines ein Reaktorgift enthaltenden Brennelements zur Erzielung einer gleichbleibenden Überschußreaktivität entsprechend der Zunahme des Brennstoff-Abbrandgrads angegeben. Dabei bilden vier Brennelemente mit jeweils verschiedenem Brennverlauf zusammen eine Einheit, und das jeweils älteste Brennelement wird jeweils bei Beendigung einer Betriebszeit des Kernreaktors durch ein Reaktorgift enthaltendes Brennelement ersetzt. Ferner ist in dieser Anmeldung angegeben, daß die axiale Energieverteilung in der Spaltzone dadurch abgeflacht wird, daß am oberen Teil der Spaltzone eine stärkere Brennstoff anreicherung als im unteren Teil der Spaltzone vorgesehen ist.

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In den vorgenannten US-Patentanmeldungen ist also die Anwendung von abbrennbares Reaktorgift enthaltenden
Brennelementen zum Geringhalten der Häufigkeit einer
mechanischen Stellstab-Betätigung vorgeschlagen. Insbesondere in der letztgenannten Anmeldung ist eine Anordnung aus einer Kombination von Brennelementen vorgeschlagen, die die Aufrechterhaltung einer im wesentlichen gleichbleibenden Überschußreaktivität während
der Gesamtbetriebszeit des Kernreaktors bewirkt.

Bei diesem Stand der Technik handelt es sich jedoch um Maßnahmen, die bei einer im Gleichgewichtszustand befindlichen Spaltzone anwendbar sind, nicht jedoch bei einer im Anfangszustand befindlichen Spaltzone (kurz: Anfangs-Spaltzone), d. h. der Spaltzone unmittelbar nach dem Bau des Kernreaktors.

Selbstverständlich ist auch im Fall der Anfangs-Spaltzone ein Kernreaktor-Betrieb mit möglichst seltener mechanischer Stellstab-Betätigung möglich, wenn die Anfangs-Spaltzone so ausgelegt ist, daß Brennelemente unterschiedlichen Alters mit einem neuen, Reaktorgift enthaltenden Brennelement kombiniert werden (entsprechend der US-Patentanmeldung Nr. 952 660). Es ist jedoch
schwierig, in einen neugebauten Kernreaktor Brennelemente einzusetzen, die bereits in anderen Reaktoren verwendet wurden.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Kernreaktor-Spaltzone, die so ausgelegt ist, daß die Häufigkeit von Stellstab-Betätigungen auch in der Anfangs-Spaltzone
geringgehalten wird und eine kostengünstige Nutzung der Brennelemente möglich ist.

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Die Kernreaktor-Spaltzone nach der Erfindung, in der die Brennelemente in dem mehr als 50 % des Gesamt-Spaltzonenbereichs umfassenden Zentralbereich der Spaltzone als eine Mehrzahl Brennstoff-Austauscheinheiten gruppiert sind, deren jede aus vier aneinandergrenzenden Brennelementen besteht, wobei bei jedem Brennstoff-Wechselvorgang jeweils ein Brennelement jeder Brennstoff-Austauscheinheit austauschbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß im Anfangszustand der Spaltzone praktisch sämtliche Brennstoff-Austauscheinheiten ein gadolinerdehaltiges Brennelement und drei nichtgadolinerdehaltige Brennelemente umfassen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß bei jedem Brennstoff-Wechselvorgang jeweils eines der nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente durch ein dem gadolinerdehaltigen Brennelement der Anfangs-Spaltzone entsprechendes gadolinerdehaltiges Brennelement ersetzbar ist.

Durch die Erfindung wird also eine neue Auslegung für die Anfangs-Spaltzone eines Kernreaktors angegeben. Die Brennelemente im Zentralbereich der Spaltzone, der mehr als 50 % des Gesamt-Spaltzonenbereichs umfaßt, sind gruppenweise in einer Mehrzahl Brennstoff-Austauscheinheiten angeordnet, deren jede durch vier aneinandergrenzende Brennelemente gebildet ist. Die Brennelemente jeder Brennstoff-Austauscheinheit werden bei jedem Brennstoff-Wechselvorgang jeweils einzeln durch ein neues Brennelement ersetzt. Die Kernreaktor-Spaltzone ist so ausgelegt, daß jede Brennstoff-Austauscheinheit ein gadolinerdehaltiges stark angereichertes Brennelement und drei nicht-gadolinerdehaltige schwächer angereicherte Brennelemente umfaßt. Durch diese Auslegung

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ergibt sich ein stabiler und gleichmäßiger Reaktorbetrieb, der im wesentlichen dem GIeichgewichts-Betriebszustand entspricht, und zwar auch bei Inbetriebnahme des Reaktors mit der Anfangs-Spaltzone .

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Charakteristik eines ein abbrennbares Reaktorgift enthaltenden Brennelements ;

Fig. 2 die Charakteristik eines reaktorgiftfreien Brenne lerne nts;

Fig. 3 eine durch eine Kombination der Kurven

nach den Fig. 1 und 2 erhaltene Charakteristik;

Fig. ^f Char akter istika verschiedener Brennelemente wahrend der zweiten Betriebszeit eines Kernreaktors;

Fig. 5 die Charakteristik einer erfindungsgemäß ausgelegten Spaltzone zum Vergleich mit einer in herkömmlicher Weise ausgelegten Spaltzone;

Fig. 6a ein erstes Ausführungsbeispiel eines ein abbrennbares Reaktorgift enthaltenden Brennelements ;

Fig. 6b die Anreicherung der Brennstäbe des Brennelements nach Fig. 6a;

Fig. 7 die Charakteristik des Brennelements nach Fig. 6a;

Fig. 8a ein reaktor giftfreies Brennelement entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8b die Anreicherung der das Brennelement nach Fig. 8a bildenden Brennstäbe;

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Fig. 9 die Charakteristik des Brennelements nach Fig. 8a;

Fig. 10 eine Brennstoff-Austauscheinheit, die aus einer Kombination von Brennelementen entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel besteht;

Fig. 11 Schnittansichten der Anfangs-Spaltzone

und 12 eines Siedewasserreaktors entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 11 die rechte und Fig. 12 die linke Hälfte der Reaktor-Spaltzone zeigt;

Fig. 13 die Beziehung zwischen dem Abbrandgrad und dem effektiven Neutronen-Multiplikationsfaktor in der ersten Betriebszeit der Anfangs-Spaltzone des ersten Ausführungsbeispiels ;

Fig. 14a ein schwach angereichertes Brennelement ohne abbrennbares Reaktorgift, das die Anfangs-Spaltzone entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel bildet;

Fig. 14b die Anreicherung von Brennstäben, die das Brennelement nach Fig. 14a bilden;

Fig. 15a ein mittelstark angereichertes Brennelement ohne Reaktorgift, das in der Anfangs-Spaltzone nach dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist;

Fig. 15b den Anreicherungsgrad der das Brennelement nach Fig. 15a bildenden Brennstäbe;

Fig. 16a ein stark angereichertes Brennelement mit abbrennbarem Reaktorgift, das in der Anfangs-Spaltzone nach dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist;

Fig. 16b den Anreicherungsgrad des Brennelements nach Fig. 16a;

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Fig. 17 die Charakteristik des Brennelements nach Fig. 1^a;

Fig. 18 die Charakteristik des Brennelements nach Fig . 15a;

Fig. 19 die Charakteristik des Brennelements nach Fig. 16a;

Fig. 20 eine Schnittansicht durch die entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgelegte Spaltzone ;

Fig. 21 die Beziehung zwischen dem Abbrandgrad in der Anfangs-Spaltzone und dem effektiven Neutronen-Multiplikationsfaktor entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 22 die Wärme-Charakteristik des zweiten Ausführungsbeispiels; und

Fig. 23 einen Stellstab-Betätigungsplan entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-5 wird das Prinzip der Erfindung allgemein erläutert.

Ein herkömmlicher Siedewasserreaktor ist so ausgelegt, daß die Überschußreaktivität in der Reaktor-Spaltzone nach dem Einbringen des Brennstoffs in diese über einen vorbestimmten Zeitraum auf einem bestimmten Wert gehalten wird, indem Brennelemente verwendet werden, die als abbrennbares Reaktorgift Gadolinerde enthalten.

Fig. 1 zeigt den unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktor Keo eines Gadolinerde enthaltenden Brennstoffs. Dabei ist auf der Abszisse die Anzahl Betriebszeiten, während welcher der Brennstoff in der Spaltzone verbleibt, angegeben; diese Anzahl ist proportional zum mittleren

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Abbrandgrad des Brennstoffs In der Spaltzone. Auf der Ordinate ist der unendliche Neutronen-Multiplikationsfaktor Κ«· angegeben, der ein Parameter für die Reaktivität in der Spaltzone ist.

Während der ersten Betriebszeit nach dem Einbringen des Brennstoffs in die Reaktor-Spaltzone steigt aufgrund des Abbrands der Gadolinerde die Reaktivität des gadolinerdehaltigen Brennstoffs stark an. Dabei erhöht sich der unendliche Multiplikationsfaktor K©e um 3 % je Abbrandgrad des Brennstoffs von 1 GWd/0,9 t. Wenn der Gadolinerdegehalt des Brennstoffs so ausgelegt ist, daß die Gadolinerde während der ersten der vier Betriebszeiten, in denen der Brennstoff in der Spaltzone verbleibt, vollständig abbrennt, nimmt die Reaktivität des Brennstoffs in der zweiten Betriebszeit und danach infolge des Abbrands des Spaltstoffs gleichförmig ab. In diesem Zustand wird der unendliche Neutronen-Multiplikationsfaktor K*o weniger durch die Brennstoffanreicherung beeinflußt und nimmt stetig mit einer Geschwindigkeit von 1 % pro 1 GWd/0,9 t ab.

Fig. 2 zeigt den unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktor Κ·° eines nicht-gadolinerdehaltigen Brennstoffs. In diesem Fall fällt der Faktor K«<> während der vier Betriebszeiten, während welcher der Brennstoff in der Spaltzone verbleibt, gleichförmig ab. Die Verminderungsgeschwindigkeit des Faktors K°° hängt weniger vom Anreicherungsgrad des Brennstoffs ab und beträgt ca. 1 % pro Abbrandgrad von 1 GWd/0,9 t. Diese Verminderungsgeschwindigkeit des unendlichen Multiplikationsfaktors K°° ist gleich der Verminderungsgeschwindigkeit des Faktors Koo im gadolinerdehaltigen Brennstoff nach dem Abbrand der Gadolinerde.

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Wenn man annimmt, daß eine Brennstoffeinheit aus vier einen gemeinsamen Stellstab umgebenden Brennelementen besteht, wobei eines dieser vier Brennelemente Gadolinerde enthält, während die übrigen keine Gadolinerde enthalten, so wird der unendliche Neutronen-Multiplikationsfaktor KoQ in der Brennstoffeinheit insgesamt relativ zum Abbrandgrad nicht wesentlich geändert, weil das eine Brennelement einen 3 %igen Anstieg des Faktors Ko° pro Abbrandgrad von 1 GWd/0,9 t zeigt, wogegen die anderen drei Brennelemente ohne Gadolinerde jeweils eine Abnahme des Faktors Koo um 1 % pro Abbrandgrad von 1 GWd/0,9 t zeigen. Daher wird während der ersten Betriebszeit eine im wesentlichen gleichbleibende Überschußreaktivität je Brennstoffeinheit aufrechterhalten (vgl. Fig. 3).

Nach der Erfindung sind also die in den Zentralbereich der Reaktor-Spaltzone, der mehr als 50 % des gesamten Spaltzonenbereichs umfaßt, eingesetzten Brennelemente in mehrere Brennstoff-Austauscheinheiten unterteilt, deren jede aus vier einen gemeinsamen Stellstab umgebenden Brennelementen besteht. Eines der vier Brennelemente jeder Einheit wird bei jedem Brennstoff-WechseIvor gang ausgetauscht. Die Anfangs-Spaltzone ist so ausgelegt, daß in jeder Brennstoff-Austauscheinheit eines der vier Brennelemente Gadolinerde enthält, während die anderen drei Brennelemente keine Gadolinerde enthalten. Bei jedem Brennstoff-Wechse1vorgang wird ein nichtgadolinerdehaltiges Brennelement durch ein Brennelement ersetzt, das dem anfangs in die Spaltzone eingesetzten gadolinerdehaltigen Brennelement entspricht. Somit sind nach drei Brennstoff-Wechse Ivor gangen alle vier Brennelemente jeder Brennstoff-Austauscheinheit durch neue Brennelemente ersetzt.

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Im Gegensatz dazu unterscheiden sich in einer in herkömmlicher Weise ausgelegten Anfangs-Spaltzone die Anreicherung und der Gadolinerdegehalt aller vier Brennelemente von dem Anreicherungsgrad und dem Gadolinerdegehalt des neuen Brennelements. Daher sind in diesem Fall vier Brennstoff-Wechselvorgänge notwendig, bis sämtliche vier Brennelemente durch neue Brennelemente ersetzt sind.

Wenn wie im Fall der Erfindung in der Anfangs-Spaltzone ein gadolinerdehaltiges Brennelement entsprechend dem zum Austausch verwendeten eingesetzt ist, kann der Reaktorbetrieb störungsfrei und gleichmäßig vom ersten zum nächsten Brennstoff-Wechselvorgang umgeschaltet werden. Ferner entspricht die Spaltzonen-Charakteristik der ersten Betriebszeit derjenigen der folgenden Betriebszeiten. D. h., die Überschußreaktivität in der ersten Betriebszeit wird stabilisiert, und in den folgenden Betriebszeiten werden der Anstieg und der Abfall des unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktors gegeneinander ausgeglichen, so daß die Änderung der Überschußreaktivität kleingehalten wird. Ferner können als gadolinerdefreie Brennelemente in der Anfangs-Spaltzone schwach angereicherte Brennelemente verwendet werden, da die Reaktivitäten dieser Brennelemente nicht durch die Gadolinerde unterdrückt werden.

Diese Situation wird nachstehend näher erläutert.

Fig. ^ zeigt die Änderung des unendlichen Multiplikationsfaktors K«»o in der ersten Betriebszeit. Wie aus der Kurve hervorgeht, hat das Brennelement einer herkömmlich ausgelegten Anfangs-Spaltzone einen unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktor Koo , der sich relativ zum Abbrandgrad des Brennstoffs derart ändert, daß an einem Zwischen-

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punkt in der ersten Betriebszeit ein Spitzenwert auftritt. Die Kurven 2 bzw. 3 bezeichnen das gadolinerdehaltige Brennelement bzw. das nicht-gadolinerdehaltige Brennelement, die miteinander die entsprechend der Erfindung ausgelegte Anfangs-Spaltzone bilden. Dabei ist eines der vier Brennelemente jeder Brennstoff-Austauscheinheit das gadolinerdehaltige Brennelement, das die Charakteristik entsprechend der Kurve 2 hat, wogegen die übrigen Brennelemente die Charakteristik entsprechend der Kurve 3 haben.

Wenn der Zentralbereich der Reaktor-Spaltzone, der mehr als 50 % der Gesamt-Spaltzone umfaßt, ausschließlich durch gadolinerdehaltige Brennelemente gebildet ist, die die herkömmliche Charakteristik entsprechend der Kurve 1 haben, tritt in der Spaltzone eine Änderung der Überschußreaktivität entsprechend der Kurve 6 in Fig. 5 auf. D. h., die Überschußreaktivität wird einmal so erhöht, daß sie einen Höchst- oder Spitzenwert an einem Zwischenpunkt einer Betriebszeit annimmt, und fällt dann ab. Bei dem herkömmlichen Reaktor wird diese Änderung der Überschußreaktivität durch die mechanische Stellstab-Betätigung ausgeglichen .

Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung der mehr als 50 % des Spaltzonen-Gesamtbereichs umfassende Zentralbereich derselben durch mehrere Einheiten gebildet, deren jede ein gadolinerdehaltiges Brennelement, das die Charakteristik entsprechend der Kurve 2 hat, und drei nicht-gadolinerdehaltige Brennelemente umfaßt, die die Charakteristik entsprechend der Kurve 3 in Fig. A- haben. Infolgedessen bleibt die Überschußreaktivität im wesentlichen während der gesamten Betriebszeit gleich (vgl. die Kurve 7 in Fig. 5).

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Dadurch wird wiederum die Notwendigkeit für eine häufige Stellstabbewegung zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Überschußreaktivität beseitigt, so daß sich eine verbesserte Betriebsleistung des Kernreaktors ergibt.

Der Mindestwert der zu unterhaltenden Überschußreaktivität wird durch verschiedene Einschränkungen und Anforderungen an den Kernreaktor-Betrieb vorher festgelegt. Üblicherweise ist die Anreicherung der Brennelemente so ausgelegt, daß eine Überschußreaktivität mit einem höheren als dem Mindestwert während der gesamten Brenndauer sichergestellt ist, und die Anzahl der eingesetzten Stellstäbe ist so gewählt, daß die überflüssige Überschußreaktivität ausgeglichen wird. Daher müssen die Brennelemente herkömmlicherweise eine hohe Durchschnittsanreicherung entsprechend dem Wert des unendlichen Multiplikationsfaktors K·· (vgl. Punkt k in Fig. k) aufweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist aber die Anfangs-Spaltzone durch zwei Arten von Brennelementen gebildet: einmal die gadolinerdehaltigen Brennelemente mit einer Charakteristik entsprechend der Kurve 2 (vgl. Fig. k) und zum anderen die nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente mit einer Charakteristik entsprechend der Kurve 3 (vgl. Fig. k), die in einem Verhältnis 1:3 kombiniert sind. Um also die Überschußreaktivität in der Spaltzone aufrechtzuerhalten, müssen die Brennelemente der Anfangs-Spaltzone, die keine Gadolinerde enthalten, eine relativ schwache durchschnittliche Anreicherung entsprechend dem Wert des unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktors KoQ am Punkt 5 in Fig. k haben. Dadurch ergibt sich wiederum eine verbesserte Nutzung des Brennstoffs, da normalerweise die schwächer angereicherten Brennstäbe kostengünstiger herstellbar sind.

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3ede Einheit ist durch vier Brennelemente gebildet,
weil im Zentralbereich der Spaltzone, in dem das Energieniveau hoch ist, vom Gesichtspunkt des Brennstoff-Abbrandgrads bevorzugt sämtliche Brennelemente innerhalb
von vier jeweils ein 3ahr dauernden Betriebszeiten ausgetauscht werden. Die einander benachbarten Brennelemente bilden eine Brennstoff-Austausche!nheit , weil es dadurch
möglich ist, die Symmetrie und Homogeneität der Reaktor-Spaltzone aufrechtzuerhalten. Der Bereich, in dem die jeweils aus vier Brennelementen bestehenden Brennstoff-Austauscheinheiten angeordnet sind, ist aus folgendem
Grund auf den Zentralbereich der Spaltzone, der mehr als
50 % des GesamtmSpaltzonenbereichs einnimmt, beschränkt:
Erstens ist der angegebene Vorteil nicht voll wirksam,
wenn das Verhältnis des Zentralbereichs zum Gesamtbereich der Reaktor-Spaltzone klein ist. Da an den Rändern der
Spaltzone die Energie vergleichsweise niedrig ist, können zweitens die Brennelemente während fünf oder mehr Betriebszeiten im Randbereich verbleiben, d. h., es ist nicht erforderlich, das Konzept der Brennstoff-Austauscheinheiten aus jeweils vier Brennelementen im Randbereich zu verwirklichen .

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6-13 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Spaltzone erläutert.

Dabei wird angenommen, daß der Siedewasserreaktor, bei dem diese Auslegung angewandt wird, eine elektrische Reaktor-Nettoleistung von 1100 MW hat und daß die Reaktor-Spaltzone durch 76*f Brennelemente gebildet ist, deren jedes
62 Brennstäbe und zwei Wasserstäbe mit einer Höhe von
3,71 m umfaßt.

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Die Fig. 6a und 6b zeigen ein Beispiel des gadolinerdehaltigen Auswechsel-Brennelements. Die gadolinerdehaltigen Brennelemente für die Anfangs-Spaltzone haben den gleichen Aufbau wie das Auswechsel-Brennelement (vgl. die Fig. 6a und 6b). In Fig. 6a ist der Querschnitt des Brennelements gezeigt, während Fig. 6b die Brenn- und Wasserstäbe zeigt. Die Brennstäbe 8-12 haben eine Anreicherung von 3,7 % bzw. 3,4 % bzw. 2,4 % bzw. 2,0 % bzw. 1,6 %. Die Brennstäbe 13 haben eine Anreicherung von 2,4 % und eine Gadolinerde-Konzentration von 3,5 %. Schließlich sind Wasserstäbe 14 vorgesehen. Das Brennelement insgesamt hat eine mittlere Brennstoffanreicherung von 2,77 % und ist in einem Kanalkasten 15 aufgenommen.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Abbrandgrad und dem unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktor Ke* in dem Austausch-Brennelement. Diese Beziehung wird durch eine Berechnung unter Zugrundelegung der Annahme, daß der Leerraumanteil 40 % beträgt, erhalten. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, steigt der Faktor K·* zu Beginn des Abbrandvorgangs gleichförmig an, da das Reaktorgift Cadolinerde mit fortschreitendem Abbrand vermindert wird. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Faktors K«^ nimmt jedoch allmählich ab, wenn der Abbrandgrad 6 GWd/0,9 t erreicht, und nachdem ein Abbrandgrad von mehr als 8 GWd/0,9 t erreicht ist, beginnt der Faktor Ke* abzufallen. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Faktors Kw beträgt ca. 3,5 % pro 1 GWd/0,9 t, wogegen die Abfallgeschwindigkeit des Faktors Ko» ca. 1,1 % pro 1 GWd/0,9 t beträgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht eine Verweilzeit des Brennelements in der Spaltzone nach Fig. 1 einem Abbrandgrad von ca. 6,2 GWd/0,9 t.

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Die Fig. 8a und 8b zeigen ein Beispiel für ein Brennelement ohne Gadolinerde, das ebenfalls als ein Bestandteil der Anfangs-Spaltzone verwendet wird. Dabei zeigt Fig. 8a die Spaltzone im Querschnitt, und Fig. 8b zeigt die Brenn- und Wasserstäbe, die das Brennelement bilden. Die Brennstäbe 16-18 haben einen Anreicherungsgrad von 1,7 % bzw. 1 ,A- % bzw. 1,1 %, und 14 ist ein Wasserstab. Das Brennelement insgesamt hat eine mittlere Anreicherung von 1,51 % und ist in einem Kanalkasten 15 aufgenommen.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Abbrandgrad und dem unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktor Koo bei dem Brennelement nach Fig. 8a für die Anfangs-Spaltzone. Der Faktor Km nimmt mit steigendem Abbrandgrad gleichförmig ab, da dieses Brennelement keine GAdolinerde enthält. Die Abfallgeschwindigkeit des Faktors K·*» beträgt ca. 1,1 % pro 1 GWd/0,9 t.

Fig. 10 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoff-Wechseleinheit, bestehend aus vier einander benachbarten Brennelementen, in der Anfangs-Spaltzone. Dabei bezeichnen die Ziffern 21-23 die Brennelemente ohne Gadolinerde entsprechend Fig. 8a, und das Brennelement 24 ist gadolinerdehaltig und entspricht dem Austausch-Brennelement nach Fig. 6a. Zu Beginn der zweiten Betriebszeit wird das Brennelement 21 durch das neue Brennelement nach Fig. 6a ersetzt. Gleichermaßen werden jeweils zu Beginn der dritten bzw. der vierten Betriebszeit die Brennelemente 22 bzw. 23 durch Austausch-Brennelemente ersetzt. Daher sind in der vierten Betriebszeit sämtliche die Einheit bildenden Brennelemente durch gadolinerdehaltige Austausch-Brennelemente ersetzt.

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Der Austausch der Brennelemente in der angegebenen Reihenfolge wird entsprechend einem herkömmlichen Verfahren durchgeführt und daher nicht näher erläutert.

Die Fig. 11 und 12 zeigen ein Beispiel für die Anfangs-Spaltzone eines Siedewasserreaktors, die nach der Erfindung ausgelegt ist, wobei Fig. 11 die rechte und Fig. die linke Hälfte der Spaltzone darstellen. Dabei entsprechen die Brennelemente 21-23 der Anfangs-Spaltzone denjenigen nach Fig. 10, während die Brennelemente 2k Austausch-Brennelemente sind. Mit 25 sind Brennelemente der Anfangs-Spaltzone bezeichnet, die im Randgebiet der Spaltzone angeordnet sind und dort während fünf oder mehr Betriebszeiten verbleiben. Die Brennstoff-Austauscheinheiten aus jeweils vier Brennelementen 21-24 sind nicht im Rand-, sondern im Zentralbereich der Spaltzone angeordnet. Bevorzugt sind diese Einheiten in dem mehr als 50 % des Spaltzonenbereichs einnehmenden Zentralbereich der Spaltzone angeordnet.

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen dem effektiven Neutronen-Multiplikationsfaktor K „„ und dem Abbrandgrad, wenn die Anfangs-Spaltzone entsprechend den Fig. 11 und 12 ausgelegt ist. Diese Beziehung ist durch eine Berechnung bestimmt, die auf der Annahme beruht, daß der Abbrand bei Einsatz einer vorbestimmten Anzahl Stellstäbe in die Spaltzone erfolgt, so daß der Änderungsgrad der Überschußreaktivität ausgewertet werden kann. Es ist ersichtlich, daß während der ersten Betriebszeit die Schwankung des Faktors K _f- innerhalb eines Bereichs von ±0,8 % gehalten wird. Das bedeutet, daß die Änderung der Überschußreaktivität relativ zum Brennstoff-Abbrand gering ist und die Überschußreaktivität dank der Brennelement-Anordnung nach der Erfindung in der Anfangs-Spaltzone stabilisiert ist.

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Wie erläutert, ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Zentralbereich der Anfangs-Spaltzone durch eine Mehrzahl Brennstoff-Austauscheinheiten gebildet, deren jede ein gadolinerdehaltiges Brennelement, das dem Austausch-Brennelement entspricht, sowie drei nichtgadolinerdehaltige Brennelemente aufweist. Daher ist die Änderung der Überschußreaktivität in der ersten Betriebszeit relativ zum Brennstoff-Abbrand so gering, daß eine mechanische Stellstab-Betätigung zur Unterhaltung einer im wesentlichen gleichbleibenden Überschußreaktivität entfällt, wodurch eine höhere Betriebsleistung der Spaltzone sichergestellt ist. Gleichermaßen wird ein stabiler Kernreaktorbetrieb auch in der zweiten, der dritten und der vierten Betriebszeit erzielt, da jeweils eines der drei übrigen Brennelemente durch ein Austausch-Brennelement ersetzt wird, das dem gadolinerdehaltigen Brennelement der Anfangs-Spaltzone entspricht. Ferner ist es bei der Erfindung möglich,»die Brennstoff-Nutzung zu verbessern, da die durchschnittliche Anreicherung der nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente in der Anfangs-Spaltzone , die zur Unterhaltung der vorbestimmten Überschußreaktivität erforderlich ist, kleiner als die durchschnittliche Anreicherung des gadolinerdehaltigen Brennelements gemacht wird .

Unter Bezugnahme auf die Fig. lifa-23 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel erläutert.

Fig. 1^a zeigt ein schwach angereichertes Brennelement ohne Gadolinerde für die entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgelegte Anfangs-Spaltzone. Fig. 1^b zeigt den Anreicherungsgrad von Brennstäben 31, 32 und 33, die das schwach angereicherte Brennelement nach Fig. 1^a bilden. Das Zeichen W in Fig. l*fa bedeutet einen Wasserstab.

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Das nicht-gadolinerdehaltige schwach angereicherte Brennelement 30 hat einen unendlichen Neutronen-Multiplikationsfaktor Kos , der sich relativ zum Abbrandgrad entsprechend Fig. 17 ändert.

Fig. 15a zeigt ein mittelstark angereichertes Brennelement 40 ohne Gadolinerde für die entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgelegte Anfangs-Spaltzone, und Fig. 15b zeigt den Anreicherungsgrad der Brennstäbe 41, 42, 43, 44, die das mittelstark angereicherte Brennelement nach Fig. 15a bilden. Von diesen Brennstäben hat jeder Brennstab 41, 42 einen Anreicherungsgrad, der im oberen Teil höher als im unteren Teil des Brennstabs ist, so daß das mittelstark angereicherte Brennelement in Axialrichtung der Reaktor-Spaltzone eine abgeflachte Energieverteilung haben kann. Das mittelstark angereicherte Brennelement 40 hat eine Ko* -Charakteristik entsprechend Fig. 18. Da dieses Brennelement Brennstäbe mit unterschiedlicher Anreicherung im oberen und im unteren Teil umfaßt, hat das Brennelement 40 in seinem oberen und in seinem unteren Teil unterschiedliche Koo -Charakteristika, wie mit 1,95 Gew.-X ohne Gd bzw. 1,74 Gew.-% ohne Gd angegeben ist.

Fig. 16a zeigt ein stark angereichertes gadolinerdehaltiges Brennelement 50, während Fig. 16b die Anreicherung der Brennstäbe 51, 52, 53, 54, 55, 56, G₁ und G₂ wiedergibt, die das stark angereicherte gadolinerdehaltige Brennelement 50 bilden. G, und G_? sind die gadolinerdehaltigen Brennstäbe. Der gadolinerdehaltige Brennstab G, hat in seinem oberen und in seinem unteren Teil unterschiedliche Gadolinerdegehalte. Insbesondere ist der Gadolinerdegehalt im oberen Teil des Brennstabs G, geringer als im unteren Teil des Brennstabs. Jeder Brennstab 52, 53, 54 ist in seinem oberen Teil stärker angereichert als in seinem unteren Teil.

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Dieses stark angereicherte gadolinerdehaltige Brennelement 50 hat insgesamt die K*o-Charakteristika entsprechend Fig. 19. Ein K -Verlauf entsprechend der Kurve 3,0^ Gew.-% Gd und ein K«a -Verlauf entsprechend der Kurve 2,82 Gew.-% Gd treten im oberen bzw. im unteren Teil des Brennelements 50 auf.

Fig. 20 zeigt die Anfangs-Spaltzone, die durch die schwach angereicherten Brennelemente 30, die mittelstark angereicherten Brennelemente ^O und die gadolinerdehaltigen stark angereicherten Brennelemente 50 gebildet ist. Eine durch vier Brennelemente gebildete Brennstoff-Austauscheinheit ist beispielhaft mit 70 bezeichnet. Die meisten Brennstoff-Austauscheinheiten weisen zwei mittelstark angereicherte Brennelemente ^O auf, die auf einer Diagonalen liegen, sowie ein gadolinerdehaltiges stark angereichertes Brennelement 50 und ein schwach angereichertes Brennelement 30, die symmetrisch in bezug auf die Diagonale angeordnet sind.

Vier schwach angereicherte Brennelemente 60 in einem Doppellinien-Quadrat 60 bilden eine Steuerzelle. Die Stellstäbe werden nur in die Steuerzellen 60 eingesetzt und während des Reaktor betriebs im Bedarfsfall mechanisch betätigt.

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff-Austauschplan so, daß am Ende jeder Betriebszeit ein Brennelement jeder Brennstoff-Austauscheinheit 70 durch ein Austausch-Brennelement ersetzt wird. D. h., nach Beendigung der ersten Betriebszeit wird das schwach angereicherte Brennelement 30 durch ein gadolinerdehaltiges stark angereichertes Brennelement 50 ersetzt. Gleichermaßen wird

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bei Beendigung der zweiten Betriebszeit ein mittelstark angereichertes Brennelement 40 durch ein gadolinerdehaltiges stark angereichertes Brennelement 50 ersetzt, und bei Beendigung der dritten Betriebszeit wird das zweite mittelstark angereicherte Brennelement 40 durch ein gadolinerdehaltiges stark angereichertes Brennelement 50 ersetzt. In jeder folgenden Betriebszeit wird das Brennelement mit der längsten Brenndauer in jeder Brennstoff-Austauscheinheit 70 ausgetauscht. Die schwach angereicherten Brennelemente 30 in der Steuerzelle 60 werden nacheinander bei Beendigung jeder Betriebszeit durch neue schwach angereicherte Brennelemente 30 ersetzt.

Fig. 21 zeigt, wie der effektive Neutronen-Multiplikationsfaktor K -.„ sich relativ zum Abbrandgrad während der ersten Betriebszeit in der entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgelegten Reaktor-Spaltzone ändert. Dabei werden zwei verschiedene Arten von gadolinerdefreien Brennelementen verwendet: Das eine ist das schwach angereicherte Brennelement 30, und das andere ist das mittelstark angereicherte Brennelement 40. Somit ist im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel die Auslegung der Anfangs-Spaltzone hier komplizierter. Da jedoch der Verlauf der Änderung des effektiven Neutronen-Multiplikationsfaktors K -,. relativ zum Abbrandgrad vergleichsweise flach ist, wird die Steuerung der Anfangs-Spaltzone beträchtlich vereinfacht.

Fig. 22 zeigt, wie sich die maximale lineare Leistungsdichte relativ zum Abbrandgrad des Brennstoffs ändert; dies dient dem besseren Verständnis der thermischen Charakteristik der Reaktor-Spaltzone. Es ist ersichtlich, daß auch in der Reaktor-Spaltzone mit geringer Änderung der Überschußreaktivität entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ein ausreichender thermischer Spielraum erhalten wird.

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Fig. 23 verdeutlicht den Stellstab-Betätigungsplan während der ersten Betriebszeit für die entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgelegte Reaktor-Spaltzone. Die um die Mitte der Spaltzone angegebenen Ziffern bedeuten die Anzahl Kerben der in die Steuerzellen eingesetzten Stellstäbe. Die Anzahl Stellstäbe ist neun und damit kleiner als bei der herkömmlichen Spaltzone, und daher kann eine einfachere mechanische Steuerung der Stellstäbe erreicht werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel werden zwei Arten von gadolinerdefreien Brennelementen verwendet, nämlich die schwach angereicherten Brennelemente 30 und die mittelstark angereicherten Brennelemente kO . Da diese Brennelemente keine Gadolinerde enthalten, können sie wesentlich schwächer angereichert sein. Es ist zu beachten, daß in der herkömmlichen Reaktor-Spaltzone sämtliche vier Brennelemente, die eine Brennstoff-Austauscheinheit bilden, gadolinerdehaltige stark angereicherte Brennelemente sind. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel jedoch wird die Anzahl der gadolinerdehaltigen stark angereicherten Brennelemente auf etwa 1/^ vermindert, so daß die Anfangs-Spaltzone mit verringerten Kosten erstellt werden kann.

Da während der ersten Betriebszeit der Anfangs-Spaltzone ferner ein vergleichsweise flacher K „„-Verlauf aufrechterhalten wird, kann die Häufigkeit der Stellstab-Betätigung weiter vermindert werden, wodurch die Leistung des Kernreaktors verbessert wird.

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Claims

Patentansprüche

/Iy Kernreaktor-Spaltzone,

- in der die Brennelemente in dem mehr als 50 % des Üesamt-Spaltzonenbereichs umfassenden Zentralbereich der Spaltzone als eine Mehrzahl Brennstoff-Austausch-Einheiten gruppiert sind, deren jede aus vier aneinandergrenzenden Brennelementen besteht, - wobei bei jedem Brennstoff-Wechse1 Vorgang jeweils ein Brennelement jeder Brennstoff-Austauscheinheit austauschbar ist,
dadurch gekennzeichnet,

- daß im Anfangszustand der Spaltzone praktisch sämtliche Brennstoff-Austauscheinheiten ein gadolinerdehaltiges Brennelement und drei nicht-gadolinerdehaltige Brennelemente umfassen.
2. Kernreaktor-Spaltzone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente einen durchschnittlichen Anreicherungsgrad haben, der schwächer als derjenige des gadolinerdehaltigen Brennelements ist.
3. Kernreaktor-Spaltzone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß bei jedem Brennstoff-WechselVorgang jeweils eines der nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente durch ein

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dem gadolinerdehaltigen Brennelement der Anfangs-Spaltzone entsprechendes gadolinerdehaltiges Brennelement ersetzbar ist.
4. Kernreaktor-Spaltzone nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die drei nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente jeder Brennstoff-Austauscheinheit (70) eine Kombination aus wenigstens einem schwach angereicherten Brennelement (30) und wenigstens einem mittelstark angereicherten Brennelement (40) umfassen.
5. Kernreaktor-Spaltzone nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die drei nicht-gadolinerdehaltigen Brennelemente jeder Brennstoff-Austauscheinheit (70) ein schwach angereichertes Brennelement (30) und zwei mittelstark angereicherte Brennelemente (40) umfassen.
6. Kernreaktor-Spaltzone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes mittelstark angereicherte Brennelement (40) in seinem oberen Teil stärker als in seinem unteren Teil angereichert ist,

daß das gadolinerdehaltige stark angereicherte Brennelement (50) in seinem unteren Teil einen höheren Gadolinerdegehalt als in seinem oberen Teil hat, und daß es in seinem oberen Teil stärker als in seinem unteren Teil angereichert ist.

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7. Kernreaktor-Spaltzone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß in jeder Brennstoff-Austauscheinheit (70) das schwach angereicherte Brennelement (30) nach Beendigung der ersten Betriebszeit durch das stark angereicherte gadolinerdehaltige Brennelement (50) ersetzbar ist,

daß bei Beendigung der zweiten Betriebszeit eines der mittelstark angereicherten Brennelemente (^0) durch das gadolinerdehaltige stark angereicherte Brennelement (50) ersetzbar ist, und

daß bei Beendigung der dritten Betriebszeit das zweite mittelstark angereicherte Brennelement (^0) durch das gadolinerdehaltige stark angereicherte Brennelement (50) ersetzbar ist.

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