DE2953818C2

DE2953818C2 - Verfahren zum Füllen mit Kernbrennstoff und Betreiben eines Kernreaktorkerns

Info

Publication number: DE2953818C2
Application number: DE2953818A
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Brown; Russel Lee Saratoga Calif. Crowther; Larry Edgar San Jose Calif. Fennern; Bennett Jay Rockville Gitnick, Md.; Craig Delany Los Gatos Calif. Sawyer; Steven Robert San Jose Calif. Specker; Kenneth Verl Kennewick Wash. Walters
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-10-19
Filing date: 1979-10-10
Publication date: 1985-03-28
Also published as: IT7926586A0; NL7907285A; SE8405776D0; JPS61111488A; ES485124A1; JPS5844237B2; SE441552B; DE2941076C2; DE2941076A1; JPH0445795B2; US4285769A; SE441552C; SE8405776L; CH644963A5; IT1123899B; JPS5570792A; SE7908661L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen mit Kernbrennstoff und zum Betreiben eines Kernreaktorkernes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist Gegenstand der US-PS 38 44 886. Der Erfindung nach dieser US-PS lag jedoch die Aufgabe zugrunde den Kernbrennstoff Plutonium wirtschaftlicher als bisher in einem Kernreaktor zu nutzen. Hierzu sind zum einen die unterschiedlichen Eigenschaften der Kernbrennstoffe Plutonium und Uran zu berücksichtigen. Zum anderen wird in der US-PS 38 44 886 beschrieben, zum Erneuern verbrauchter Brennelemente eine Kombination zwischen dem sogenannten Zonen-Erneuern, bei dem die Brennelemente über mehrere konzentrische Zonen verteilt werden, und dem sogenannten verteilten Erneuern, bei dem Brennelemente möglichst gleichmäßig verteilt über den Kern ersetzt werden, anzuwenden. Es werden dabei frische plutoniumhaltige Brennelemente in die periphere Zone des Reaktorkernes eingeführt und teilweise bestrahlte Brennelemente der periphcrcn Zone werden möglichst gleichmäßig im zentralen Bereich des Kernreaktorkerns verteilt.

In der Uf-PS 39 Ut 924 ist ein Kernreaktor beschrieben, der drei konzentrische Zonen aufweist, wobei die erste im Zentrum des Kernes und die dritte an der äußeren Peripherie des Kernes angeordnet ist. Diese drei Zonen unterscheiden sich dadurch, daß die Beladung der Brennelemente in den drei Zonen derart ist, daß sie in der dritten, d. h. der äußeren, im Multiplikationsfaktor kleiner ist als in der ersten Zone und daß die erste Zone hinsichtlich des Multiplikationsfaktors kleiner ist als die zweite Zone. Somit befinden sieh bei dem Reaktor nach der US-PS 39 86 924 alle Brennelemente mit dem höchsten Multiplikationsfaktor in der mittleren, der zweiten Zone.

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. Hierfür wird der Reaktor abgestellt, und es wird ein Bruchteil, üblicherweise etwa 'Λ, der Brennelemente ersetzt. Die Übcrschußrcaklivität zu Beginn eines Betriebszyklus erfordert ein Kontrollsystem Kusreichender Stärke, um den wirksamen MultiDlikaiion.vfükior während des Reaktorbetriebes bei eins zu halten.

Ein solches Kontrollsystem schließt eine Vielzahl von Kontrollstäben ein, die neutronenabsorbierendes Material enthalten und die mit einer mechanischen Steuerung selektiv einführbar sind in die Räume oder Spalte zwischen den Brennelementen, um die Reaktivität zu steuern und somit das Leistungsniveau des Kernes. In einer bekannten Anordnung, wie sie /.. B. in der I 'S- PS 30 20 888 gezeigt ist. weisen die Kontrollstabblättcr einen kreuzförmigen Querschnitt auf, wodurch die Flügel der Blätter jedes Kontrollstabes in die Räume zwischen vier benachbarten Brennelementen eingeführt werden können. Jede solche Gruppe von vier Brennelementen, die einen Kontrollstab umgeben, wird als eine Kernzelle bezeichnet

Das Kontrollsystem kann auch einen abbrennbaren Neutronenabsorber einschließen, wie Gadolinium, der mit einem Teil des Brennstoffes vermengt ist. Die in der Natur vorkommenden Gadolonium- Isotope 155 und 157 sind starke Neutronenabsorber, die durch die Neutronenabsorption in Isotope geringe:^· Kontrollstärke umgewandelt werden. Die Verwendung solcher abbrennbaren Absorber vermindert die erforderliche Menge an mechanischer Kontrolle durch geeignete An-Ordnung der abbrennbaren Absorber, wodurch Verbesserungei. hinsichtlich der Leistungsverteilung erzielt werden können. Häufig werden die abbrennbaren Absorber in die Brennstoffelemente in einer Mischung mit ausgewählten Teilen des Kernbrennstoffes eingefüllt.

In Siedewasserreaktoren liegt der Kernbrennstoff in Tabletten, im folgenden als »Pellets« bezeichnet, vor, die in langgestreckten Hüllen enthalten sind, welche Brennstäbe bilden.

Die rohrförmigen Hüllen der Brennstäbe, 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 ·Κοη-trollstäbe erhöht die lokale Leistung in benachbarten Bremstäben stark. Solche plötzlichen starken Veränderungen der lokalen Leistung kann zu hohen lokalen Belastungen aufgrund der Wechselwirkung der Brennstoffpellets mit der Hülle führen. Wenn die sich ausdehnenden trennenden Kanten benachbarter Pellets oder die benachbarten Seiten eines Pelletrisses sich gegen die Hülle pressen, dann kann die dabei erhaltene lokal auftretende Belastung die Belastbarkeit der Hülle übersteigen und einen Bruch bzw. Riß darin verursachen, der das Eindringen von Kühlmitteln in den Brennstab und das Entweichen von Spaltprodukten aus dem Brennstab in das umgebende Kühlmittel gestatten. Diese unerwünschte Erscheinung ist als »Pellet-Umhüllungswechseiwirkung« bekanntgeworden. Es gibt eine vom Brenn· stoffabbrand abhängige Schwelle, unterhalb der die Hülle unabhängig von der Größe der Zunahme der lokalen Leistung bisher nicht versagt hat.

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 seiner Umgebung stark zu vermindern, während die Umwandlung des brutfähigen U-238 in spaltbares Pu-239 merklich weniger reduziert wird.

b¹) 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 Dermheren Brennstäben des

Brennelements, in einem größeren MaDe zu als in dem Brennstoff, der weiter vom Kontrollstab entfernt war. Diese Wirkung der Kontrollstabgeschichte ist am größten für den Brennstoff im Brennstab in der Ecke des Brennelements benachbart dem Kontrollstab, und diese Wirkung wird um so ausgeprägter, je langer der Kontrollstab benachbart dem Brennstoff verbleibt.

Eine andere Erscheinung in Siedewasserreaktoren ist die »axiale Dampfblasenunterdrückung«. In solchen Reaktoren verursacht das Sieden des Kühlmittels inner- halb 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 Kontrollslabes kann eine starke Leistungsspitze verursachen, die die Leistung in einem Kanal übersteigen kann, in dem der Kontrollstab vollkommen herausgezogen ist.

Bei detailliert in der US-PS 33 85 758 beschriebenen Kontrollsiab-Betriebsverfahren für Reaktoren der beschriebenen Art werden die Kontrollstäbe in verschie- denen alternierenden Mustern angeordnet, die es gestatten, die eine Gruppe von Kontrollstäben während des Betriebes durch eine andere auszutauschen. Es bestehen überlicherweise 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-Betriebsverfahren wird der Kern mit einem gegebenen Kontrollstabmuster für eine Periode der Energieerzeugung betrieben. Dann vermindert man die Lei- j5 stung und tauscht dieses Muster gegen ein anderes aus usw. Es kann daher fünf bis acht Kontrollstabmusteränderungen während eines jährlichen Betriebszykius des Reaktors geben.

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 Kontrollstabbewegung ergibt sich aus der Abbrennkontrolle, dem Austauschen von Kontrollstabmustern, der Lastfolge, der Kontrolle des Xenon-Gipfels, der Brennstoffbehandlung usw. Diese Betriebsvariablen führen dazu, daß die Gesamtzahl der Kontrollstabbcwcgungen. die der Brennstoff erfährt, unerwünscht hoch ist. Darüber hinaus führt das Austauschen der Kontrollstabmuster zur Anregung von Xenon-Gipfeln bei der räumlichen Leistungsverteilung, und die Bewegungszwänge der Kontrollstäbe aufgrund thermischer, hydraulischer sicherheitsmäßiger Grenzen 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 Spielrau- mes. erhöhen die Herstellungskomplexizitäl. vermindern die Kapazitätsfaktoren und erhöhen das Risiko der Brennstoffbeschädigung.

Eine Zusammenfassung der beobachteten Probleme bei den bekannten Betriebsverfahren von Siedewasser- μ reaktoren mit Kontroüstabmusterauslausch ergibt folgendes:

1. Die Rcaktorleis'.ung muß zur Durchführung des Austausches des Kontrollstabmustcrs vermindert werden, während gleichzeitig eine Anpassung an die Zwänge der Wechselwirkung zwischen Pellets und Müllen der Brennstäbe 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.

3. Das Austauschen der Kontrollstabmuster und die damit verbundenen Leistungsverminderungen führen zu räumlichen und nicht-räumlichen Xenon-Gipfeln, die die Reaktoroperationen komplizieren und zu den Schwierigkeiten beitragen, die Grenzen einzuhalten, um Wechselwirkungen zwischen den Brennstoffpellcts und den Hüllen der Brennstäbe zu vermeiden.

4. Das Bctriebspcrsonal 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 Betriebspcrsonal.

5. Der gesamte Brennstoff mit Ausnahme dessen, der an der Peripherie des Kernes angeordnet ist, erhährt starke Zunahmen der lokalen Leistung aufgrund der Bewegung des benachbarten Kontrollstabcs 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 Kontrollstäbc. ausgenommen derer, die nahe der Kernperipherie angeordnet sind, müssen einer zweifachen Funktion dienen, nämiich erstens die Leistungsform und die Abbrennreaktivität zu kontrollieren und zweitens das Abstellen des Reaktors zu bewirken. Spezielle Auslegungschrakterisliken für diese verschiedenen Funktionen können daher nicht leicht in die Kontrollstäbe und deren Antriebe eingebaut werden.

7. Die Anwendung automatischer Kontrollen der räumlichen Form der Leistungsverteilung für die Lastfolge und andere Zwecke wird stark kompliziert durch die große Zahl der Variablen und ihrer komplexen Wechselwirkung,

Außerdem sind die folgenden Nachteile beim A "ordnen von Kontrollstäbcn benachbart Brennstoff hoher Leistung oder hoher Reaktivität oder benachbart Brennstoff, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält, beobachtet worden:

Wasser mit wenig Dampfblasen oberhalb teilweise eingeführten Konirollstäben verursacht häufig lokale Reaktorjeistungsspitzen. Thermische Begrenzungen wie der Übergang oder die Abweichung von Kernsiedegrenzen werden auch nachteilig durch die teilweise Einführung von Kontrollstäben benachbart hochreaktivem Brennstoff beeinflußt

Konlrollstäbc, die benachbart von Brennstoff eingeführt werden, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält, neigen zur Abschrägung des Abbrandes des Absorbers und verursachen einen unerwünschten Raumübergang des abbrennbaren Absorbers, der die lokale Leistungsspitze in dem Reaktor erhöht, oder er-

fordern, daß der Brennstoff mit einer komplizierten Verteilung des abbrennbaren Absorbers hergestellt wird.

Der Krfindung lag die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art dadurch zu vereinfachen, daß man das Verschieben der Kontrollstäbe und das Umsetzen der Brennelemente vermindert, wodurch die Beschädigung von Brennstüüen aufgrund von Leistungsspitzen und den damit verbundenen Spannungen verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß -Jurch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

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 Brennstoffes in die Konlroilzellen, d. h. in solche Zellen, in denen die Kontrollstäbe, die die Steuerung H^r Lsistun^Eforin und der Reaktivität vornehmen, im Lcistungszustanddes Kernes eingeführt werden.

Da der Reaktor während des Belricbszyklus nur durch die Kontrollstäbe der Konlroilzellen gesteuert wird, erfährt nur der Brennstoff geringer Anreicherung der Kontrollzcllen eine Bewegung eines benachbarten Kniumllsiabes während des Uetriebszyklus. Auf diese Weise wird der Kernbetrieb stark vereinfacht und viele Probleme des Kontrollstabauslausches werden vermieden.

Der Brennstoff verbleibt für η Betricbszyklcn im Kern, wobei η üblicherweise gleich vier ist. Für einige Anwe Jungen kann unbeslrahlter, speziell ausgelegter, eine hohe Zuverlässigkeit aufweisender Brennstoff in anderen als den? ersten Zyklus direkt in die Kontrollzellcn eingeführt werden, wo er dann für m Zyklen verbleibt, wobei m gleich oder verschieden von η ist. Eine solche Kcrnauslegung mit Trennung der Kontrollstabfunktion und bei der nur Brennstoff mit einer geringen Reaktivität benachbart den Kontrollstäbcn angeordnet wird, die die Steuerung der Leistungsform und Reaktivität als Funktion haben, wird als »Kontrollzcllenkern« bezeichnet.

Die Kontrollblätter der Nichtkontrollzellen /um Abstellen des Reaktors sind im Leistungszustand herausgezogen und erleiden dadurch einen verminderten Abbrand und weniger Strahlungsschadcn und -belastung. Diese Kontrollblätter haben daher eine längere Lebensdauer. Man kann daher teurere Kontrollmaicrialicn darin verwenden, insbesondere im oberen Teil davon, um ihre Fähigkeit zum kalten Abschalten des Reaktors zu maximalisicren und die Fähigkeit des Reaktors zum Brennstoffzyklusabbrand zu verbessern. Auch können die Antriebe der Kontrollstäbc der Nichtkontrollzellen relativ einfach und billig sein.

Da andererseits die in den Kontrollzellen angeordneten Kontrollstäbe nur einen Teil der Kontrollstäbe des Kernes ausmachen, können 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 Optimierung schließt Feinbewegungsantriebe und Kontrollblätter mit grauen Spitzen (mit abnehmendem Steuerwert) ein. Beide Merkmale sorgen für eine graduellere Veränderung in der Leistung im benachbarten Brennstoff, wenn der Kontrollstab bewegt wird. Die Feinbewegungsantriebe, die teuer und komplex sind, können auf die Kontrollzeilpositionen beschränkt werden. Auch kann man andere Kontrollblattmaterialien benutzen, die eine größere Lebensdauer und ein günstigeres Neutronenab- sorptionsspektrum mit sich bringen. So vermindern die eine lange Lebensdauer aufweisenden Hafnium-Kontrollmaterialien die Leistungsslörung der die Leistungsform steuernden Blätter und verlängern die Lebensdauer dieser Blätter.

Die Verbesserung der maximalen Leistungsfähigkeit des Kontrollzellenkernes wird durch geeignete Auslegung der Brennelemente zur Einführung in die Kontrollzellcn möglich, die üblicherweise für den vorletzten

ίο Brennstoffzyklus vor der Herausnahme aus dem Kern erfolgt. Die optimalen Brennelementauslegungen sind erwünscht, um die Kontrollstabgeschichtenwirkungen und die damit verbundene Periode des Brenns;offabbrandcs zu schaffen, während der die Kontroiisiabge-

Schichtenwirkungen stattfinden.

Für einen anfänglichen Kern werden die Brennelemente, die in die Kontrollzellen kommen sollen, für diesen Zweck besonders ausgelegt. Auch die Auslegung der Brennelemente, die während des ersten Nschladens in die Kontrollzeüen bewegt werden sollen, ist verschieden von der Auslegung der Brennelemente, die erst bei den nachfolgenden Nachladungen in die Kontrollzellcn bewegt werden sollen. In anderen Worten, die Brennelemente sind besonders ausgelegt in Abhängigkeit von ihrer Position im Kern und ihrer vorhergesehenen Aufcnthaltszeit darin.

Brennelemente zum Nachfüllen werden üblicherweise nicht vor ihrem dritten Aufenthaltszyklus im Kern in die Kontrollzellen eingeführt, und die Auslegung dieses Brennstoffes zum Nachladen mit abbrennbarem Absorber ist üblicherweise verschieden von der des Brennstoffes für den ursprünglichen Kern. Auch die Brennelemente zum Nachladen können daher optimal ausgelegt werden, um maximalen Nutzen von der Trennung der

Kontrollfunktionen der Kontrollstäbe zu haben.

Speziell ausgelegte Brennelemente können in den Kontrollzcllen verwendet werden, da bei vielen Anwendungen nur etwa die Hälfte des Brennstoffes während seines Aufenthaltes im Kern in den Kontrollzellen ver bleibt.

Solche speziell ausgelegten Brennelemente können in ihrem ersten, zweiten, dritten, vierten oder fünften Aufenthaliszyklus in die Kontrollzellen eingeführt werden. Hcrstcllungskritcrien erfordern, daß die Brennstäbe der Standardauslegung zur Herstellung der Brennelemente benutzt werden und daß die Zahl unterschiedlicher Standardbrennstäbe möglichst gering gehalten wird. Die Brennelemente werden daher so ausgelegt, daß sie gemeinsam so viele der Standardbrennstäbe ent-

so halten wie möglich, und gleichzeitig die Auslegungs-, Leistungs- und Sicherheitsziele erreichen.

Die anfängliche und gekoppelte Nachlade-Brennelementauslegung für den Kontrollzellkern macht es möglich, diese Ziele zu erreichen einschließlich einer Ver- minderung der Zahl der Standardbrennstabarten, die für die Herstellung der erforderlichen Brennelemente genutzt werden muß.

Die Aspekte der Kontrollzellenkernauslegung, die die Anordnung von Brennelemente mit nicht erschöpftem abbrennbarem Absorber benachbart eingeführten Kontrollstäben im Leistungszustand des Reaktors vermeidet, macht es möglich, die Auslegung der Brennstäbe mit abbrennbarem Absorber in den Brennelementen zu vereinfachen, indem die Zahl der verschiedenen axialen

b5 Zonen abbrennbaren Absorbers in diesen Brennstäben vermindert wird.

Es können alternative Muster von Kontrollzellen benutzt werden in Abhängigkeit von den spezifischen An-

Forderungen 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 Anfahrendes Reaktors, die Kontrolle der Leistungsform und der maximalen Überschußreaktivität und die Lastfolge des Verbrauchernetzes zu gestalten. Die Anzahl und die Lage der Kontrollzelien können zu Beginn eines neuen Nachladezyklus revidiert werden, wenn dies Leistungs- und andere Vorteile mit sich bringt.

Die Trennung der Kontrollfunktionen und die Kernauslegung machen 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 aufgrund einer Bewegung des benachbarten Kontroilstabes große Leistungsänderungen erfährt, wird bei relativ geringer Leistung gehalten, wenn der Kontrollstab herausgezogen wird,

5. die Reaktivität des Kontrollstabes zum kalten Abstellen des Reaktors wird in den Bereichen der höchs^f<?n 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 Lebensdauer der Kontrollblätter wird für die Kontroiibiätter maximaiisien, die im Leistungszustand eine merkliche Neutronenbelastung ansammeln.

Die Anwendung dieser Prinzipien auf die Kontrollzcllen-Kernauslegung resultiert in einem größeren thermischen Spielraum, in erhöhten Kapazitätsfaktoren der Anlage, in einem einfacheren Reaktorbclrieb. in einer verminderten Wahrscheinlichkeit für Fehler durch das Betriebspersonal, in einer verbesserten Sicherheit, einer verbesserten Brennstoffzuverlässigkeit, einer verbesserten Brennstoffzykluswirtschaftlichkeit, in einer vereinfachten Brennstoffherstellung, einer verbesserten Lastfoigegeschwindigkeit und einem verbesserten Lastfolgebereich. Weiter vereinfacht die verminderte Zahl der Kontrollstabmustervariablen die Auslegung und erhöht die Möglichkeit zur Anwendung einer vollautomatischen direkten Leistungsformkontrolle.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, !m einzelnen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Siedewasserreaktors, der Bestandteil eines dampferzeugenden Systems ist.

Fig.2 eine schematische Draufsicht auf eine Zelle eines Reaktorkernes,

F i g. 3A—3C schematische Draufsichten, die das beispielhafte Nachfüllen neuen Brennstoffes in im Gleichgewicht befindlichen Reaktorkernen zeigen,

Fig.4 ein beispielhaftes Brennelement zum Nachfüllen des Kernes mit Brennstoff,

Fig. 5Λ beispielhafte Kontrollstabmustcr zu verschiedenen Ze>en während des Betriebszyklus eines Rcaktorkerncs, Γ·' i g. 5B die lokale relative Leistung in einem hochrc-

s aktiven Brennelement in einem Kern nach dem Stand der Technik für verschiedene Positionen eines Kontrollstabus benachbart einem solchen Brennelement,

F i g. 5C eine typische lokale relative Leistung in einem Brennelement in einer Kontrollzellc für verschie- dcne Positionen des Kontrollstabes in der Kontrollzelle, Fig.5D eine typische lokale relative Leistung in einem hochreaktiven Brennelement in einer Nichtkontrollzclle für verschiedene Positionen des Kontrollstabes in einer benachbarten Konlrollzclle,

Fig. 6A—6D einen beispielhaften Kontrollstab mit Antrieb zur Verwendung in den Kontrollzcllcn des Reaktorkernes und

Fig. 7 einen beispielhaften Kontrollstab mit Antrieb zur Verwendung in den Nichtkontrollzellen des Reak torkernes.

Die Erfindung wird im folgenden in ihrer Anwendung auf einen mit Wassergekühlten und moderierten Siedewasserreaktor beschrieben, der in vereinfachter schematischer Form in F i g. t dargestellt ist. Ein solcher Re- aktor weist einen Druckbehälter tO auf, der den Kernreaktorkern 11 eingetaucht in einem Kühlmittel/Moderator, wie leichtem Wasser, enthalt. Dieser Kern II. der von einem Umhüllungsring 12 umgeben ist, weist eine Vielzahl austauschbarer Brennelemente 13 auf, die im

jo Abstand zueinander zwischen einem oberen Kerngitter 14 und einer unteren Kcrnplatie 16 angeordnet sind.

Line Vielzahl von Kontrollstab-Antricbsgehäuscrohren 17 enthält Kontrollstabantricbe. durch die eine Vielzahl von Kontrollstäbcn 18 selektiv zwischen die Brenn-

js elemente 13 cinführbar ist. um die Reaktivität des Kernes zu steuern. )cdes der Gehäuserohre 17 ist mit einem Stützteil 19 für die Brennelemente versehen, wobei jedes der Siüi/.ieiie iS rtiii Fassungen zur Aufnahme von Nasenstückc 21 von vier benachbarten Brennelementen ausgebildet ist. Die Nasenstückc 21 und die Stützteile 19 sind mit Kühlmittelöffnungen zur Verbindung mit einer Kühlmittelkammer 22 versehen. Eine Zirkulationspumpe 23 für das Kühlmittel drückt dieses in die Kühlmittclkammcr 22. von der aus das Kühlmittel durch die öff-

4^r> nungen in den Stützteilcn 19 und in den Nasenstücken der Brennelemente nach oben durch die Brennelemente gedruckt wird. Ein Teil des Kühlmittels wird dabei in Dampf umgewandelt, der durch eine separate Trockner-Anordnung 24 zu einer Vorrichtung zur Nutzung

so des Dampfes, wie einer Turbine 26. gelangt Das in einem Kondensator 27 gebildete Kondensat wird mittels einer Pumpe 28 als Speisewasser in den Behälter 10 zurückgeführt. Jeder Kontroilstab 18 und die ihn umgebenden vier Brennelemente 13 bilden eine Brennstoffzelle des Kernes. Eine typische Brennstoffzelle 29 ist in Draufsicht in Fi g. 2 gezeigt, in der die vier Brennelemente 13(1) bis 13(4), die den Kontroilstab 18 umgeben, an ihren oberen Endstücken in einem oberen Kernstützgitter seitlich ge halten sind, wobei dieses Gitter durch einander schnei dende und miteinander verriegelte Träger 30 und 32 gebildet ist. |edes der austauschbaren Brennelemente 13 setzt sich aus einer Vielzahl langgestreckter Brennstäbe 34 zusammen, die im Abstand voneinander zwischen

6* oberen und unteren (nicht dargestellten) Halterungspiatten abgestützt sind und die von einem rohrförmigen Strömungskanal 36 umgeben sind, der das Kühlmittel zwischen den Brennstäben nach oben leitet

Ein Kernreaktor der beschriebenen Art wird periodisch mit neuem Kernbrennstoff versehen, der in einen gewissen Teil des Kernes eingeführt wird. Üblicherwe·· ic betreibt man den Reaktor für 12 bis 18 Monate zwischen dem Einführen neuen Brennstoffes, was von der Brennstoffanreicherung, der Größe der Brennstoffmenge zum Nachfüllen und den Versorgungsnetzanforderungen abhängt. Diese Betriebsintervalle /wischen dem Nachfüllen neuen Brennstoffes nennt man »Betriebszyklen«.

Die Brennstoffzellen des Kernes sind in einem Musler von Kontroll- und Nichtkontrollzellen angeordnet, indem die Kontrollzellcn durch mindesicns eine Nichtkontrollzclle voneinander getrennt sind. Zwei Ausführungsformen solcher Muster sind in den Draufsichten symmetrischer Quadranten beispielhafter Kerne in den F ι g. 3A und 3B gezeigt, in denen die Brennelemente der Kontrollzcllen 38 mit »C( bezeichnet sind und die Brennelemente der Nichtkontrollzellen 40 mit »N« bezeichnet sind. Beide Muster sind Vk Kern-symmetrisch und haben unterschiedliche Muster von Kontrollzcllen relativ zum Zentrum des Kernes (die Kernsymmetrie ist erwünscht, aber kein notwendiges Merkmal der hier beschriebenen Kontrollzellen-Kernanordnung). Die Kontrollzellen können zwischen den Betricbszyklen in der Zahl zu- oder abnehmen oder eine Veränderung von einem Muster zu einem anderen erfahren. So könnte z. B. das Muster der F i g. 3A während eines Betriebszyklus von 1 Jahr benutzt werden, während man für den folgenden Betriebszyklus von 1 lawrdas Kontrollzellenmuster der F i g. 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 Brennelemente zu erleichtern, die vorteilhafterweise in diesem Bereich benutzt werden, bezeichnet man die für die Peripherie vorgesehenen Brennelemente mit »P«.

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 AZ-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.-°/o Spaltstoff ist, wobei ein typischer Wert für einen Kern am Anfang 0,924 Gew.-% Spaltstoff ist und die N-Zellen können eine Reaktivität haben, die äquivalent ist einer Frischbrennstoffanreicherung von etwa 1,6 bis 2,7 Gew.-% oder einen Durchschnittswert in der Größenordnung von 2,15 Gew.-%. Das Verhältnis des spaltbaren Materials in den AZ-Zellen zu dem in den C-Zeilen hat im allgemeinen einen Maximalwert in Übereinstimmung mit den Beschränkungen der Kernanordnung, des Betriebes und des Betriebszyklus.

Die peripheren Brennelemente P sind vorteilhdfterweise mit einem Brennstoff geringer Reaktivität versehen, z. B. einem, der äquivalent ist einer Frischbrennstoffanreicherung von natürlichem Uran (0,711 Gew.-°/o). Zwischen den peripheren Brennelementen und den benachbarten N- oder C-Zellen können noch Brennelemente angeordnet sein, die mit einem hochreaktiven Brennstoff versehen sind, z. B. einem äquivalent einer Frischbrennstoffanreicherung von etwa 3 Gew.-% Spaltstoff. 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, flacht die radiale Leistungsverteilung de.»; Kernes ab und verbessert den Spielraum bezüglich der Grenzen der thermischen Leistungsfähigkeit.

Beim Hochfahren des Reaktors werden die Kontroilstäbe aus den /V-Zellcn und um die Peripherie herum aus dem Kern herausgezogen, und während des Betriebszyklus werden nur noch die Kontrollstäbe der C-Zellen zum Steuern des Leistungsniveaus und der Leistungsverteilung benutzt. Die Betriebsstrategie für die Kontrollstäbe der C-Zellen hängt neben anderen Dingen von der Reaktivitätsverteilung des Brennstoffes in den benachbarten /V-Zellcn ab. Beispielhafte Betriebs-Strategien für die Kontrollstäbe der C-Zellen während eines Betriebszyklus werden noch näher beschrieben.

Nachdem ein Reaktorkern für eine ausreichende Zahl sich gleichmäßig wiederholender Betriebszyklen eingesetzt worden ist, neigt er dazu, ein »Gleichgewicht« hinsichtlich der Zahl der Anreicherung der Austausch-Brennelemente und ihrer Verteilung im Kern zu erreichen. Einen solchen Kern kann man daher als Gleichgewichtskern bezeichnen und die Betriebszyklen davon als Glcichgewichtszyklen. Üblicherweise wird ein Gleichgewichtskern etwa jährlich mit frischem Brennstoff versehen, wobei der Ersatz bei etwa V₄ der Brennelemente erfolgt. Ein Brennelement für einen Gleichgewichtskern bleibt bei einer typischen Bestrahlung in der Größenordnung von 26 000 MW · Tage/Standard-Tonne (2,2 TJ/kg), also etwa 4 Jahre, im Kern.

In einem Gleichgewichtskern werden die Brennelemente mit dem stärksten Abbrand oder der geringsten Reaktivität der /V-Zellen für den letzten Aufenthaltszyklus im Kern in den C-Zellen benutzt. Der MZellenbrennstoff 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 Ausführungsform werden spezielle Brennelemente entweder als frischer Brennstoff oder nach dem Aufenthalt in einigen der /V-Zellen für eine bis drei Brennstoffzyklen in die C ZeI-len eingeführt.

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 dadurch bewerkstelligt, daß man eine sich wiederholende Reihe von Kontrollzellen und Nichtkontrollzellen 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 Brennelemente und ihrem Volumen variieren kann.

Die Zahl der C-Zellen kann daher von einem Betriebszyklus zum anderen variieren. Eine zusätzliche Flexibilität wird durch die Möglichkeit geschaffen, mit mehr als einer Art von Brennelementen nachzuladen. Die während des Nachladens eingeführten Brennelemente können hinsichtlich der Art, der durchschnittlichen Anreicherung, des Gehaltes an abbrennbarem 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 friscfe.Die Brennelemente 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 anfängliche Kernkonfiguration benutzt verschiedene Arten von Brennelementen. Einzelne Brennstäbe enthalten einen abbrennbaren Absorber, wie Gadolinium, im Gemisch mit Teilen des Brennstoffmaterials.

Die Brennelemente sind 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 '/g des Kernvolumens, ist mit den gering angereicherten Elementen ausgestattet, um das Entweichen von Neutronen aus dem Kern minimal zu halten. Die hochangereicherten Brennelemente, die benachbart den peripheren Elementen angeordnet sind, unterstützen das Abflachen der radialen Leistungsverteilung des Kernes, um eine verbesserte thermische Leistung zu erhalten.

Die Brennelemente C sind zur Verwendung in den C-Zellen während des anfänglichen Betriebszyklus ausgelegt. Zusätzlich zur geringen Durchschnittsanreicherung ist die Anreicherungsverteilung der Brennstäbe des Elements so konstruiert, daß die Brennstäbe der geringsten Anreicherung in den Stellen am nächsten zum benachbarten Kontrollstab sitzen. Die Verteilung der Brennstäbe ist optimiert, um eine Anpassung an lange Perioden des Leistungsbetriebes zu erhalten, wobei der Kontrollstab benachbart dem Brennstoff eingeführt ist. Diese Anordnung gestattet dem Element 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 Kontrollstabeinführung. Das Brennelement C kann auch als Alternative für das Brennelement P in den peripheren Orten des Kernes benutzt werden.

Die Brennelemente N und die Brennelemente für die Zwischenstäbe sind für den anfänglichen Aufenthalt in den AZ-Zellen und eventuelle Verwendung in den C-ZeI-lcn ausgelegt, nachdem sie ausreichend bestrahlt worden sind. So können z. B. die Brennelemente N für den zweiten oder den dritten und die Zwischenelcmcntc für den vierten Zyklus in die C-Zellen eingeführt werden. Zu den Auslegungsmerkmalen dieser Elemente, die eine solche Verwendung gestatten, gehört die Verteilung der Brennstoffanreicherung, die den Betrieb während des letzten Zyklus gestattet, wobei die Kontrollstäbc für lange Betriebsperioden eingeführt sind.

In einem alternativen Schema werden neue, noch nicht bestrahlte Brennelemente C vor jedem Betriebszyklus in die Kontrollzcllen eingeführt. Die Brennstäbe dieser Elemente können mit speziellem Schuf/, vor den großen Leistungsänderungen versehen werden, die bei der benachbarten Kontrollblattbewegung auftreten, wobei für diesen Schutz plattierte Sperren benutzt werden, wie sie in der US-PS 39 25 151 beschrieben sind. Der Betrieb des Kernes mit den Kontrollzellcn 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 durch die Kontrollstäbe der C-Zellen gesteuert. Die Betriebsslrategie der C-Zellenkontrollstäbe kann sehr einfach sein, insbesondere verglichen mit den Betriebsstrategien der Kontrollstäbe nach dem Stand der Technik.

Am Ende eines Betriebszyklus wird der Reaktor zum ίο Nachfüllen von Brennstoff abgestellt Normalerweise werden die peripheren Elemente aus dem Kern herausgenommen. Die Brennelemente der C-Zellen werden aus diesen und aus dem Kern herausgenommen oder in einigen Fällen können diese Brennelemente in die Positionen der peripheren Elemente gebracht werden, um dort noch für einen weiteren Betriebszyklus im Kern zu verbleiben. Die C-Zellen werden mit den Brennelementen der N-Zellen versehen, die den stärksten Abbrand und die geringste Reaktivität haben. Es können auch stark abgebrannte Brennelemente aus den JV-Zellen in die peripheren Brennelcmeni-Positionen überführt werden. Frische Brennelemente werden in die /V-Zellen eingeführt, vorzugsweise in einer verteilten Weise, wobei die frischen Brennelemente eine Anreicherung aufweisen, die geeignet ist. die erforderliche Reaktivität während des nächsten Betriebszyklus zur Verfugung zu stellen.

Eine beispielhalte Konfiguration eines nachgeladenen Kernes ist in der F i g. 3A gezeigt, in der die unten angebrachten Zahlen 0 bis 3 die Zahl der Zyklen angeben, während der der Brennstoff zum Zeitpunkt dieses Nachladens bereits bestrahlt worden ist.

Ein alternatives Muster ist in Fig.3B gezeigt. Der Brennstoff für den fünften Zyklus an der Peripherie (TVPositioncn) ist üblicherweise pcripherer Brennstoff des vierten Zyklus aus einem früheren Zyklus, kann aber auch Brennstoff sein, der aus Kontrollzellpositionen dorthin bewegt worden isi. Dieses Muster kann beim Gleichgewicht wiederholt werden, indem man die Pt-, Cj- und/oder Pj-Brennelemcnte aus dem Kern herausnimmt, die Ni- und/oder Ci-Brennstoffeinheiten in die P-Posilioncn bewegt, die /Vj-Brcnnstoffeinheiten in die Ci-Positionen bewegt, die /Vt-Brennstoffeinhciten in die früheren Ni-Positionen bewegt und frischen Brennstoff 4¹) in die nun frei gewordenen N,-Positionen einführt.

F i g. 3C veranschaulicht ein anderes Lademuster ähnlich dem der Fig.3B mit der Ausnahme, daß die Konirollzcllcn mit Bezug auf das Zentrum des Kernes in verschiedenen Stellungen angeordnet sind. Die K011-w trollzellcn der Anordnung der F i g. 3C befinden sich in den gleichen Positionen wie Zellen des NrBrennstoffes in der Anordnung der F i g. 3B.

Da die NrBrcnnelemcntc dafür cingcicilt sind, während ihres letzten Zyklus in den Kontrollzellen benutzt zu werden, kann die Zahl der Brennelemente, die während des Nachladens bewegt werden muß, auf einem Minimalwcrt gehalten werden, indem man von dem Konlroll/.ellmuster der F i g. 3B bei einem Betriebszyklus zu dem Muster der Fig.3C beim folgenden Beiricbszyklus, zu dem Muster der Fig.3B bei dem da nach folgenden Betriebszyklus usw. wechselt. Diese Alternative breitet die Verwendung und den Abbrand der Kontrollblättcr über eine größere Zahl von Kontrollstäben aus und erfordert etwa die doppelte Zuhl an eine b5 Spczialfunktion ausübenden, lange gebrauchsfähiger Kontrollstäben für die Leistungsgestaltung und ihre Rcaklivitätskontrollc innerhalb der Kontrollzellcn.

Ein Beispiel eines Nachladc-Brcnnclcmcnts zur Vcr-

Wendung als der frische Brennstoff Λ/ο in der Kernanordnung der Fig.3A und 3C ist in Fig.4 gezeigt Bemerkenswert bei dieser Auslegung sind die eine relativ geringe Anreicherung habenden Brennstäbe in der Kontrollstabccke des Elements, was die Auswirkungen der Kontrollstabgeschichte minimal hält und die Verwendung des Elements in den C-Zellenpositionen gestattet, nachdem sie in den /V-Ze!len bestrahlt worden ist.

Spezielle Brennstäbe können in den Brennstabelement-Positionen innerhalb der Brennelemente für das Nachladen oder dem anfänglichen Reaktorkern benutzt werden, die aufgrund von Leistungsänderungen oder einer Wechselwirkung zwischen Brennstoffpeilet und Hülle des Brennstabs einer Beschädigung am meisten unterliegen, z. B. in den Positionen 3, 4, 5 und 7 der Nachlade-Brennelemense der F i g. 4. Solche speziellen Brennstäbe können mit schützenden Hüllensperren hergestellt werden, wie einer Schicht aus Kupfer oder reinem Zirkonium.die die Hülle vordem Angriff der Spaltprodukte schützt Solche beschädigungsbeständigen Brennstäbe können auch ringförmige Brennstoff pellets und/oder Brennstoffpeilets enthalten, die ein zusätzliches Piastiziermittel aufweisen.

Die Brennelemente können in Abhängigkeit von den Kernanforderungen und der Position des jeweiligen Elements im Kern eine größere oder geringere Menge abbrennbaren Absorbers enthalten.

Ein Beispiel des Kontrollstabmusters der C-Zellen bei verschiedenen Bestrahlungen E während eines Betriebszyklus des Gleichgewichtskernes der F i g. 3A ist in Fig.5A gezeigt. Die Kontrollstäbc werden in Gruppen 1 bi-s-8 betrieben. Die Zahlen in den Quadraten, die die C-Zellen repräsentieren, zeigen die prozentuale Einführung der Kontrollstäbc der Zellen an. Hundert bedeutet somit, der Kontrollstab ist vollkommen eingeführt und 0 bedeutet er ist vollkommen herausgezogen.

Außerhalb der Kontrollzcllcn werden keine Kontrollstäbe beim Betrieb hoher Leistung benutzt und die Bewegung der Kontrollstäbe der Kontrollzellcn ist während des Reaktorbetriebes auf einem Minimalwcrl gehalten.

Die Fig.5B veranschaulicht die lokale relative Leistung in einem Brennelement benachbart einem Kontrollstab als Funktion der Konlrollstabposition des vom Boden aus eingeführten Kontrollstabes für einen Kern der konventionellen Auslegung und des konventionellen Betriebes. Diese Figur veranschaulicht die Wirkungen der verminderten Dampfblasen in den oberen Teil des Kernes mil der sich daraus ergebenden Leistungserzeugung mit hohen Spitzen, obwohl der Kontrollslab in den Boden des Kernes eingeführt ist.

Die F i g. SC zeigt ähnliche Kurven der lokalen relativen Leistung in einem Brennelement gegen die Kontrollstabposition für einen Kern der Auslegung und des Betriebes gemäß dem Kontrollzellenkernkon/.ept der vorliegenden Erfindung. Es ist zu bemerken, daß, verglichen mit dem üblichen Kern der F i g. 5B, die Spitzenleistung benachbart dem Kontrollblatt beträchtlich verringert ist. Es ist schwieriger, in dem Kern eine hohe oder tiefe Leistungsspitze zu erreichen; die Kontrollblättcr können tiefer in den Kern eingeführt werden, ohne Leistungsspitzen zu erhöhen, und die vollkommen herausgezogene Position des Konirollstabcs führt zu einer Abnahme der Leistung über etwa die oberen 80% des Brennstoffes.

Fig. 5D zeigt die Wirkungen der Kontrollstabbewcgung innerhalb der Koniroll/cllen auf den hochreakti ven Brennstoff in den Nichtkontrollzellen. Verglichen mit der Leistungsverteilung beim hochreaktiven Brennstoff der konventionellen Auslegung (Fig.5B) ist die Veränderung der Leistung während der Kontrollblatt bewegung geringer, die Kontrolle über die axiale Lei stungsspitze dieses Brennstoffes aufgrund partiellen Einschubs des Kontrollzellenblattes ist besser, es gibt einen glatteren Übergang von einer Kontrollstabposition zum anderen, die Leistungszunahme im Oberteil

ίο des Kernes ist sehr viel geringer, und die lokale Leistungsspitze des Reaktors ist vermindert.

Mit dem Kontrollzellen-Betriebsmodus ist es daher möglich, Kontrollblätter durch den Boden etwa 17% in den Kern einzuschieben, ohne daß eine merkliche Zu nähme der Spitzenleistung in dem Brennstoff der Kon trollzellen oder dem hochreaktiven Brennstoff außerhalb der Kontrollzellen, d. h. in den Nichtkontrofeillen, auftritt. Der Einschub der Kontrollblätter der Kontrollzellen in zentrale Kernpositionen reduziert die Spitzen- leistung des Brennstoffes in den benachbarten Nichtkontrollzellen deutlich. Diese Trends können dazu benutzt werden, optimalere Leistungsverteilungen mit dem Kern mit Kontrollzellen zu erhalten, als dies mit den bekannten Kontrollmethoden möglich war.

Ein wichtiges Merkmal des Kontrollzellenkernes ist die Trennung der Funktionen der Kontrollstäbe der C-Zelleh und der A/-Zellen. Die Kontrollstäbe der C-Zellen. die für die Kontrolle des Leistungsniveaus und der Leistungsverteilung des Kernes benutzt werden, umfas-

» sen nur etwa ein Viertel der Kontrollstäbe. Der Rest der Kontrollstäbe, die sich außerhalb der C-Zelleh befinden, haben das Abstellen des Reaktors als Hauptfunktion. Diese Trennung der Funktionen und die Minimalisierung der Zahl der Kontrollstäbe, die für die Leistungs- kontrolle 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 Kontrollstäbc und deren Antriebe der Doppelfunktion der Leistungsverteilung und dem Abstellen des Reaktors dienen müssen. So ist es z. B. erwünscht, daß die Kontrollstäbe der C-Zellen 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 F i g. 6A bis 6D gezeigt. Der Kontrollstab 181 ist aus einem obervn Gußkör per 42 gebildet, der mit einem Handgriff 44 ausgebildet ist und tier durch einen kreuzförmigen Zentralpfosten 48 mit einem unteren Gußkörper 46 verbunden ist. Der untere Gußkörper 46 ist mit einem Geschwindigkeitsbegrenzer 50, Führungsrollen 52 und einer Kupplungs- fassung 54 zur Befestigung am Antrieb 171 ausgebildet. Der obere Gußkörper 42 ist ebenfalls mit Führungsrollen 55 versehen, durch die der Kontrollstab 181 seitlich zwischen den Brennstoffeinheiten abgestützt wird. An dem Zentralpfosten 48 und dem oberen und unter-

bo en 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 Vicl/ahl von Neutroncnabsorberstäben 58 angeordnet. Ein typischer Absorberstab, wie er in der F ί g. 6B ge-

b^r> zeigt ist, ist aus einem abgedichteten Rohr 60 gebildet, der ein geeignetes Neutronenabsorbermaterial enthält, z. B. in Form von natürlichem Borkarbid (B₄C)-Pulver 62. Die Säule aus Pulver 62 ist durch eine Reihe im

Abstand voneinander angeordneter Kugeln 64 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 in der Säule aus Pulver 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 MaBe dadurch ermöglicht, daß man das Kontrollstabblatt mit einer sogenannten »grauen Spitze« versieht, die sowohl den Wassermoderator verdrängt als auch weniger Neutronen absorbiert, als die ansonsten im Kontrollblatt vorhandenen stärkeren Kontrollmaterialien.

Die Kontroiblätter, die in den Kontrollzellen angeordnet sind, sollen eine lange Lebensdauer haben. Die Spitzen und Kanten der Rüge) 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, C; den Kontrollstab 181 zur Verwendung in den C-Zellen anpassen sind dk- folgenden: Der Kontrollstab 181 kann auf verschiedene Weise mit einer langen Lebensdauer oder >·^; <ner grauen Spitze« ausgebildet werden, beispielsweise indem die Kontrollstärke graduell von der Spitze oder von dem Endstück mit dem Handgriff aus zunimmt. Wie in F i g. 6A gezeigt, ist der Handgriff 44 weiter und länger als üblich ausgebildet und er besteht z. B. aus korrosionsbeständigem Stahl, der zwar ein Neutronenabsorber ist, aber eine sehr viel geringere Kontrollstärke hat als Bor. Der vergrößerte Handgriff 44 verdrängt daher Wasser u;:d sorgt für einen Übergang der Kontrollstärkc von der Spitze zum Hauptkörper des Kontrollstabes.

Eine andere Art der Schaffung einer grauen Spitze und eines langlebigen Kontrollstabes 181 ist in Fig.t>C 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 Fig.6D 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 Absorberslabc den höchsten einfallenden Neutronenfluß, die größte Neutroneneinfangrate und daher die kürzeste Lebensdauer. Hafnium in diesen Positionen ergibt eine längere Lebensdauer als B<C, weil Hafnium keine beschädigenden Reaktionsprodukte einschließlich Gasen erzeugt, wie das bei B₄C der Fall ist.

Auch ist Hafnium ein weniger starkes Absorptionsmittel für thermische Neutronen als BiC. 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 Kontrollstabgeschichtc. Die größeren Kosten von Hafnium können für den Gebrauch in Konstrollstäben von C-Zellen gerechtfertigt werden, weil sie nur wenige Kontrollstäbe des Kernes betreffen und darüber hinaus den stärksten Belastungen ausgesetzt sind. Die Kontrollslabauslegung der F i g. 6D 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 Fig.6A) von der Art mit Feinbewegung ist.

Die Kontroiistäbe außerhalb der C-Zeiien, d.h. die Kontrollstäbe der A/-Zcllen, werden herausgezogen, wenn der Reaktorkern im Leistungszustand ist Deshalb haben diese Kontrollsiäbc eine lange Lebensdauer und können aus stärker absorbierendem und teurerem Material hergestellt werden, um ihre Fähigkeit, den Reaktor kali abzustellen, maximal zu gestalten.

Ein Beispiel eines Kontrollstabe3 182 und eines Antriebes 172 zur Verwendung in den /V-Zellen ist in F i g. 7 dargestellt. Die allgemeine Anordnung des Kontrollstabes 182 ist ähnlich der des Kontrollstabes 181 der Fig.6A. Diese allgemeine Beschreibung wird daher nicht wiederholt. In einem Siedewasserreaktor z. B. ist im kalten Zu stand der Brennstoff im oberen Teil des Kernes am reaktionsfähigsten. Es ist daher in den Kontrollstäben der /V-Zellen mit Ausnahme des oberen Viertels oder Drittels der Absorberstäbe nicht erforderlich, ein teureres und stärker neutronenabsorbiefendes Material zu benutzen. Das in F i g. 7 gezeigte starke Blatt der Absorberstäbc zum Abstellen des Reaktors enthält daher z. B. Bor-IO-Karbid im oberen Drittel der Blätter 56'(I) bis 56'(4) und das übliche B₄C in den unteren zwei Dritteln der Länge der Blätter.

Schließlich kann der Konlrollstabantricb 172 relativ einfach sein, um stufenweise und Schnellbewegung zu erzeugen.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Füllen mit Kernbrennstoff und Betreiben eines Kernreaktorkems mit einer Vielzahl 5 von Zellen, wobei jede Zelle von einzeln ersetzbaren Brennelementen gebildet wird, die einen selektiv einschiebbaren Kontrollstab umgeben, wobei der Reaktor nach jeweils einem Zyklus periodischen Betriebs zum Ersatz eines Teiles der Brennelemente des Kernes abgeschaltet wird, und beim Ersetzen eines Teils der Brennelemente solche, die π Betriebszyklen im Kern waren, herausgenommen und unbestrahlte Brennelemente gleicher Zahl wie die herausgenommenen eingeführt werden, wobei die An- reicherung der unbestrahlten Brennelemente eine Reaktivität liefert, die für eine Aufenthaltszeit in dem Kern von π Betriebszyklen ausreicht, und wobei beim Betrieb des Reaktors während eines Beiriebszyklus äuge Kontrollstäbe im wesentlichen aus dem Kern ftcrausgezogen und andere selektiv in den Kern eingeführt sind, um dessen Leistungsniveau zu steuern, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen,

25

(1) Anordnen von Brennelementen mit Brennstoff relativ hoher Reaktivität in Nichtkontrollzellen, wobei diese Zellen mindestens einige Brennelemente unbestrahlten Brennstoffes einschließen, dessen Reaktivität ausreicht für eine Aufenthaltszcit im Kern von π Betriebszyklen, wobei η > 1 ist,

(2) Anordnen von Brennelementen in den Zellen eines ersten Satzes von fControllzcllcn, dessen Brennstoff eine geringere Reaktivität hat als der Brennstoff in den Nichtkontrollzellen, wobei dieser erste Satz Kontrollzcllcn ausreichender Zahl einschließt, so daß deren Kontrollstäbe den Reaktorkern im Leistungszustand kontrollieren können, wobei diese Kontrollzellen von- einander durch mindestens eine Zelle anderer Sätze von Zellen getrennt sind,

(3) Anordnen von Brennelementen in den Zellen eines zweiten Satzes von Kontrollzellen, die eine durchschnittliche Zellreaktivität der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellcn und den Zellen der Nichtkontrollzellen liegt, wobei mindestens einige der Brennelemente in dem zweiten Satz von Kontrollzellen für π — 2 Betriebszyklen bestrahlt worden sind, wobei dieser zweite Satz Kontrollzellen ausreichender Zahl einschließt, so daß deren Kontrollstäbe den Kern im Leistungszustand zu steuern vermögen, wobei die Kontrollzellen des /weiten Satzes durch mindestens eine Zelle anderer Sätze von Zellen voneinander getrennt sind und wobei die Zellen der Nichtkontrollzellen zwischen den Zellen des ersten und zweiten Satzes von Kontrollzellen angeordnet sind,

(4) Betreiben dieses Reaktorkerns während eines Betriebszyklus, wobei die Kontrollstäbe des zweiten Satzes von Kontrollzellen und der Nichtkontrollzellen im Leistungszusland im wesentlichen herausgezogen sind und die Kontrollstäbe mindestens einiger der Zellen des er- sten Satzes von Kontrollzellen selektiv in den Kern eingeführt sind, um ihn zu steuern,

(5) nach dem Abstellen des Reaktors zum Nachladen von Brennstoff in den Reaktorkern am Ende des genannten Bctriebszyklus Herausnehmen mindestens einiger der Brennelemente aus jeder der Zellen des ersten Salzes von Konlrollzcllcn und Ersetzen derselben durch Brennelemente mit einer höheren Reaktivität als die der herausgenommenen Brennelemente,

(6) Herausnehmen mindestens einige; der Brennelemente aus den Zellen der Nichtkoatrollzellen und Ersetzen derselben durch unbestrahlte Brennelemente,

(7) Anordnen von Brennelementen mit Brennstoff relativ geringer Reaktivität in den Zellen des zweiten Satzes von Kontrollzellen, wobei man mindestens einige der Brennelemente darin beläßt, die für π — I Betriebszyklen bestrahlt worden sind,

(8) Betreiben des Reaktorkerns während des folgenden Betriebszyklus, wobei die Kontrollstäbe der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen und der Nichtkontroüzeüen im Leistungszustand im wesentlichen herausgezogen sind und die Kontrollstäbc mindestens einiger der Zellen des zweiten Satzes von Kontrollzellen selektiv in den Reaktorkern eingeführt sind, um ihn zu steuern, und

(9) Betreiben xxs Reaktorkerns während aufeinanderfolgender Bctriebszyklen gemäß den Stufen (4) bis (8).

2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (5) die zum Ersetzen benutzten Brennelemente der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen mindestens einige Brennelemente einschließen, die für π — 2 Bctriebszyklen bestrahlt worden sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (6) die Brennelemente, die in den NiclHkontry-Hzellen angeordnet werden, eine gleichmäßige Mischung von Brennelementen umfassen, die entweder unbcstrahit sind oder für η — 3 Zyklen bestrahlt worden sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß man Brennelemente mit Brennstoff relativ geringer Reaktivität in den peripheren Positionen der Brennelemente des Kernes einsetzt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Brennelemente mit Brennstoff höherer Reaktivität in Zwischenpositionen einsetzt, die zwischen den peripheren Positionen der Brennelemente und den genannten Sätzen von Zellen liegen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einige der Brennelemente, die sich auf den genannten Zwischenpositionen befinden, während des Nachladens in Nichtkontrollzellen überführt.

7. Verfahren nach den 'Vnsprüchen4 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Brennelemente, die in den peripheren Positionen angeordnet werden, bestrahlt worden sind, und daß sie in diesen peripheren Positionen für ihren letzten Betriebszyklus in diesem Kern angeordnet werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 7, bei dem die Kontrollstäbe von unten in den Reaktorkern eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man Kontrollstäbe mit grauen Spitzen in den Zellen des ersten und /.weiten Satzes von Kontrollzcllen anord-

net, wobei diese grauen Spitzen eine fortschreitend abnehmende Kontrollstärke entlang eines Teiles der oberen Enden der Kontrollstäbc aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man Hafnium in den oberen und Seitenteilen der Kontrollstäbe in den Zellen des ersten und zweiten Satzes von Kontrollzeilen anordnet, wobei der Rest des neutronenabsorbierenden Materials in diesen Kontrollstäben dieser Zellen Bor ist.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man in den NichtkontroHzellen Kontrollstäbe anordnet, die in ihren oberen Teilen eine größere Kontrollstärke aufweisen als in den unteren Teilen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man Bor-10-Karbid im oberen Viertel bis Drittel der Kontrollstäbe der Nichtkontrolizellen anordnet, während die unteren Teile dieser Stäbe natürliches B₄C enthalten.