DE3022747A1

DE3022747A1 - Kernkonstruktion fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE3022747A1
Application number: DE19803022747
Authority: DE
Inventors: Motomasa Fuse; Yasuhiro Kobayashi; Renzo Takeda; Sadao Uchikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-18
Filing date: 1980-06-18
Publication date: 1981-01-29
Also published as: SE453025B; JPS561386A; US4378329A; JPS6244632B2; SE8004485L; DE3022747C2

Description

B_e_s c_h_r_o_i_b_u_n_g

Die Erfindung bezieht sich auf Core- bzw. Kernkonstruktionen für Kornreaktoren, insbesondere für einen Siedewasserreaktor .

Gewöhnlich setzt sich der Kern eines Siedewasserreaktors aus zahlreichen Brennstoffzellen zusammen, und zu jeder Brennstoffzelle gehören vier nahe beieinander angeordnete Brennstoffbaugruppen und ein Regelstab, der in die betreffende Brennstoffzelle so einführbar ist, daß er von vier Brennstoffbaugruppen umschlossen wird. Bei einem Siedewasserreaktor bekannter Art mit einer solchen Kernkonstruktion bewirkt die Verbrennung des Kernbrennstoffs, daß Unterschiede bezüglich der Menge des erzeugten spaltbaren Materials und der Verteilung der Menge dieses spaltbaren Materials während des normalen Leistungsbetriebes des Reaktors auftreten, so daß der Kern Veränderungen bezüglich der überschüssigen reaktivität und Veränderungen bezüglich der Leistungsverteilung zeigt. Um solche Veränderungen der überschüssigen Reaktivität des Kerns, d.h. der Kernreaktivität, sowie die Veränderungen der Leistungsverteilung während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors auszugleichen, ist es bis jetzt allgemein üblich, mehrere Regelstäbe zu verwenden, eine Änderung der Wahl der einzuführenden Regelstäbe und/oder der Anzahl der eingeführten Regelstäbe zur Veränderung des Anordnungsmusters der Regelstäbe herbeizuführen und/ oder die Einführungstiefe der Regelstäbe gegenüber dem Kern zu variieren, ohne daß das Anordnungsmuster verändert wird. Zu diesem Zweck ist es bis jetzt erforderlich, die Regelstäbe während eines Betriebszyklus mit einer Dauer von z.B. einem Jahr mehrmals zu betätigen, um das Anordnungsmuster der Regelstäbe und/oder die Einführungstiefe der Regelstäbe

zu ändern. Bei einem solchen bekannten Kern wird es jedoch für erforderlich gehalten, die Regelstäbe erst zu betätigen, nachdem der Leistungspegel des den Regelstäben benachbarten Brennstoffs bis unterhalb eines bestimmten Wertes herabgesetzt worden ist, um zu gewährleisten, daß der Brennstoff in einem einwandfreien Zustand gehalten wird. Somit ist es bei dem gegenwärtig gebräuchlichen Verfahren zum Verändern des Anordnungsmusters der Regelstäbe und der Einführungstiefe der Regelstäbe erforderlich, die Reaktorleistung zeitweilig zu verringern, damit die Regelstäbe betätigt werden können, und dann die Reaktorleistung wieder auf ihren ursprünglichen Wert zu bringen, nachdem die Betätigung der Regelstäbe abgeschlossen ist. Da sich die Anwendung dieses Verfahrens nicht vermeiden läßt, ergibt sich bei den bekannten Siedewasserreaktoren der Nachteil, daß sie nur unter Anwendung komplizierter Verfahren betreibbar sind und daß sich bei einem solchen Reaktor ein niedriger Ausnutzungsgrad ergibt.

Ferner ist es bei einem Siedewasserreaktor bekannter Art unmöglich, eine Abflachung der radialen Leistungsverteilung im Endstadium eines Betriebszyklus zu erreichen, bei dem die Regelstäbe vollständig zurückgezogen sind, was zur Folge hat, daß die zentrale Zone des Kerns eine Tendenz zeigt, mit einer höheren Leistung zu arbeiten. Infolgedessen muß man die Brennstoff baugruppen auf andere Weise anordnen, wenn am Ende eines Betriebszyklus eine Erneuerung von Brennstoff durchgeführt wird. Auch diese Tatsache trägt dazu bei, den Betrieb eines herkömmlichen Siedewasserreaktors kompliziert zu machen und den Ausnutzungsgrad einer mit einem solchen Reaktor arbeitenden Anlage zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernkonstruktion für einen Kernreaktor zu schaffen, der es ermöglicht, das Betriebsverfahren zu vereinfachen und den Ausnutzungsgrad einer mit einem solchen Reaktor arbeitenden Anlage zu erhöhen.

030065/0696

Ferner soll oine Kernkonstruktion geschaffen werden, die es ermöglicht, die Anzahl der Regelstäbe zu verkleinern, die dazu dienen, während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors die Veränderungen der Kernreaktivität sowie die Veränderungen dor Leistungsverteilung auszugleichen, und bei deren Verwendung es nicht erforderlich ist, den Leistungspegel des Reaktors zeitweilig herabzusetzen, wenn die Regelstäbe betätigt werden sollen. Schließlich soll eine solche Kernkonstruktion geschaffen werden, die es ermöglicht, die radiale Leistungsverteilung abzuflachen, wenn das Endstadium eines Betriebszyklus erreicht wird, bei dem die Regelstäbe vollständig zurückgezogen sind, so daß es nicht mehr erforderlich ist, die Brennstoffbaugruppen anders anzuordnen, wenn eine Erneuerung von Brennstoff durchgeführt wird.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung einer Kernkonstruktion für einen Kernreaktor gelöst, bei dem mehrere Brennstoffzellen vorhanden sind, die einen Kern bilden, bei dem zu joder Brennstoffzelle vier Brennstoffbaugruppen gehören, die einander benachbart sind, sowie ein Regelstab, der sich so einführen läßt, daß er von den vier Brennstoffbaugruppen umschlossen ist, wobei zu den Brennstoffzellen erste Brennstoffzellen gehören, von denen jede einen relativ hohen mittleren unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktor aufweist, wobei eine Brennstoffbaugruppe ein verbrennbares Gift enthält, sowie zweite Brennstoffzellen, von denen jede einen relativ niedrigen mittleren unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktor aufweist und nicht mit einer ein verbrennbares Gift enthaltenden Brennstoffbaugruppe versehen istj hierbei sind die ersten Brennstoffzellen sowohl in einer zentralen Zone des Kerns in einem Abstand von der Mittelachse des Kerns, der etwa dem halben Kernradius entspricht, als auch in einer sich in der Umfangsrichtung erstreckenden Zone des Kerns außerhalb der genannten zentralen Zone angeordnet; die zweiten Brennstoffzellen sind nur in der zentralen Zone des Kerns angeordnet, und in der sich in der Umfangsrichtung

030065/0696

erstreckenden Zone des Kerns sind keine zweiten Brennstoffzellen vorhanden; nur die zweiten Brennstoffzellen enthalten Regelzellen, in denen es die Regelstäbe ermöglichen, Veränderungen der Kernreaktivität und der Leistungsverteilung während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors auszugleichen.

Vorzugsweise gehören zu den ersten Brennstoffzellen jeweils Brennstoffbaugruppen mit einem relativ hohen Anreicherungsgrad, während zu den zweiten Brennstoffzellen Brennstoffbaugruppen mit einem relativ niedrigen Anreichungsgrad gehören.

Vorzugsweise gehören zu den in der zentralen Zone des Kerns angeordneten zweiten Brennstoffzellen diejenigen Brennstoffzellen, welche im wesentlichen über den Umfang mindestens eines gedachten Kreises verteilt sind, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Kerns zusammenfällt.

Ferner gehören zu den sowohl in der zentralen Zone als auch in der Umfangszone des Kerns angeordneten ersten Brennstoffzellen vorzugsweise vier Arten von Brennstoffzellen, die sich bezüglich ihrer Benutzungsdauer als Bestandteile des Kerns im wesentlichen gleich stark voneinander unterscheiden, wobei jeweils die neueste Brennstoffbaugruppe ein verbrennbares Gift enthält.

Zu den in der zentralen Zone sowie in der Randzone des Kerns angeordneten ersten Brennstoffzellen gehören vier Arten von Brennstoffbaugruppen, die sich bezüglich ihrer Gebrauchsdauer als Bestandteile des Kerns um etwa ein Jahr unterscheiden, und die neueste Brennstoffbaugruppe kann ein verbrennbares Gift enthalten.

Zu dem verbrennbaren Gift gehört vorzugsweise Gadolinium (gadolinia).

O30065/069ß

Bei der erfindungsgemäßen Kernkonstruktion für einen Kernreaktor sind die ersten Brennstoffzellen, bei" denen von insgesamt vier Brennstoffbaugruppen jeweils eine Brennstoffbaugruppe Gadolinium enthält, im wesentlichen über die ganze Grundfläche des Kerns verteilt, und zwar mit Ausnahme einiger Teile der zentralen Zone, die von der Mittelachse des Kerns durch e)inen etwa dem halben Kernradius entsprechenden Abstand getrennt sind. Wenn man für die Konzentration des in einer neuen Brennstoffbaugruppe enthaltenen verbrennbaren Giftes einen zweckmäßigen Wert wählt, ist es möglich, die Änderungen der Reaktivität des Kerns während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors auf einem relativ niedrigen Wert zu halten. Hierdurch wird es möglich, die Anzahl der Regelstäbe, die betätigt werden müssen, um die Reaktivitätsänderungen des Kerns und die Leistungsverteilungsänderungen während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors auszugleichen, zu verringern. Weiterhin sind bei der erfindungsgemäßen Kernkonstruktion die zweiten Brennstoffzellen mi ■'; einem relativ niedrigen mittleren unendlichen Multiplika-ionsfaktor je Zelle in bestimmten Teilen der zentralen Zone des Kerns angeordnet, und nur die zweiten Brennstoffzellen sind mit Regelzellen versehen, bei denen die Anzahl der Regelstäbe verringert ist, die betätigt werden, um die Reaktivitätsänderungen des Kerns einzustellen. Da der Leistungspegel des Brennstoffs der Regelzellen, der durch den unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor der zweiten Brennstoffzellen geregelt wird, auf einen Wert eingestellt werden kann, der niedriger ist als der mittlere Leistungspegel des Kerns, der durch den unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor der ersten Brennstoffzellen geregelt wird, und daher niedriger ist als der Pegel, welcher erforderlich ist, um den Brennstoff während des Betriebs der Regelstäbe in einem einwandfreien Zustand zu halten, ist es möglich, die Notwendigkeit zu vermeiden, daß die Reaktorleistung zeitweilig herabgesetzt wird, wie es anderenfalls notwendig sein würde, wenn die Regelstäbe

030065/0690

dazu dienen, die Minderungen der Reaktivität des Kerns und die Änderungen der Leistungsverteilung während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors auszugleichen bzw. einzustellen.

Ferner trägt bei der Kernkonstruktion nach der Erfindung die Anordnung der zweiten Brennstoffzellen mit einem relativ niedrigen unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktor je Zelle in der zentralen Zone des Kerns gemäß der vorstehenden Beschreibung zur Erzielung einer erheblichen Abflachung der radialen Leistungsverteilung über den Kernquerschnitt im Endstadium eines Betriebszyklus bei, bei dem die Regelstäbe im wesentlichen vollständig zurückgezogen sind, so daß es nicht erforderlich ist, die Anordnung der Brennstoffbaugruppen zu ändern, wenn ein Brennstoffersatz durchgeführt wird.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung haben die zweiten Brennstoffzellen mit einem relativ niedrigen mittleren unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor je Zelle eine doppelte Aufgabe, die darin besteht, die radiale Leistungsverteilung über den Querschnitt des Kerns einzustellen, sowie darin, als Regelzellen zu wirken, bei denen die Regelstäbe betätigt werden, um die Änderungen der Reaktivität des Kerns auszugleichen. Um die zweiten Brennstoffzellen zu erhalten, die diese Doppelaufgabe erfüllen, kann man nicht nur einen Brennstoff mit einem niedrigen Anreicherungsgrad, sondern auch einen Brennstoff verwenden, der einen relativ hohen Verbrennungs- oder Beanspruchungsgrad aufweist.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung trägt die erfindungsgemäße Kernkonstruktion für Kernreaktoren zu einer Vereinfachung der Betriebsverfahren bei Kernreaktoren sowie zur Erhöhung des Ausnutzungsgrades solcher Reaktoren bei.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

030065/0696

Fig. 1 im Querschnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kernkonstruktion für einen Kernreaktor;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt einer Brennstoffzelle, die bei der Kernkonstruktion nach Fig. 1 als Regelzelle verwendet wird;

Fig. 3a bis 3c jeweils schematisch eine von drei Arten von Brennstoffbaugruppen, wie sie bei der Kernkonstruktion nach Fig. 1 verwendet werden;

Fig. 4a und ib jeweils einen vereinfachten Schnitt der Brennstoffbaugruppe nach Fig. 3a bzw. eine Darstellung zur Veranschaulichung der Grade der Anreicherung des Brennstoffs und der Konzentration des Gadoliniums bei mehreren Arten von Brennstoffstäben dieser Brennstoffbaugruppe;

Fig. 5a und 5b jeweils eine schematische Darstellung der Brennstoffbaugruppe nach Fig. 3b und eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Grades der Anreicherung des Brennstoffs bei mehreren Arten von Brennstoffstäben für diese Brennstoffbaugruppe;

Fig. 6a und 6b einen vereinfachten Schnitt der Brennstoifbaugruppe nach Fig. 3c sowie eine schematische Darstelluag zur Veranschaulichung des Grades der Anreicherung des Brennstoffs und der Konzentration des Gadoliniums bei mehreren Arten von Brennstoffstäben dieser Brennstoffbaugruppe;

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Änderungen des unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktors, die sich bei der Verbrennung der drei Arten von Brennstoffbaugruppen nach Fig. 3a bis 3c ergeben, wobei diese Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfiadungsgemäßen Kernkonstruktion dient; und

030Ö6S/06Ö6

Fig. 8 eine graphische Darstellung einer relativen radialen Leistungsverteilung bei Brennstoffzellen über den Querschnitt des Kerns, wie sie sich im Endstadium eines Betriebszyklus ergibt, bei dem die Regelstäbe bei der Kernkonstruktion nach Fig. 1 vollständig zurückgezogen sind, wobei diese Darstellung eine der mit Hilfe der Erfindung erzielbaren Wirkungen veranschaulicht,

In Fig. 1 ist ein insgesamt mit 2 bezeichneter Kern eines Siedewasserreaktors mit einer Wärmeleistung von 3300 MW dargestellt, bei dem es sich um eine Ausführungsform der Erfindung handelt und zu dem zahlreiche Brennstoffzellen 4 gehören, von denen jede vier nahe beieinander angeordnete Brennstoff baugruppen enthält und mit einem Regelstab versehen ist, der sich so einführen läßt, daß er von vier solchen Brennstoffbaugruppen umschlossen ist.

Zu den Brennstoffzellen 4 gehören erste Brennstoffzellen 6, von denen jede einen relativ hohen mittleren unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor aufweist, wobei jeweils eine Brennstoffbaugruppe von den vier Baugruppen ein verbrennbares Gift, vorzugsweise Gadolinium, enthält, sowie zweite Brennstoffzellen 8, die jeweils einen relativ niedrigen mittleren unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktor aufweisen und bei denen keine Brennstoffbaugruppe vorhanden ist, die ein verbrennbares Gift enthält.

In Fig. 1 sind die ersten Brennstoffzellen 6 jeweils in Form eines mit gestrichelten Linien gezeichneten Blocks dargestellt, der durch dünne Linien in vier Quadrate unterteilt ist, welche keine Symbole enthalten, und die zweiten Brennstoffzellen 8 erscheinen jeweils als mit kräftigen Linien gezeichneter Block, der durch dünne Linien in vier Quadrate unterteilt ist, von denen jedes das Symbol C enthält. Somit sind die zweiten Brennstoffzellen 8 nur in

030Ö6S/06ÖÖ

einer zentralen Zone des Kerns angeordnet, und zwar in einem Abstand von der Mittelachse des Kerns, der etwa dem halben Kernradius entspricht, und es sind keine solchen zweiten Brennstoffzellen in einer Randzone des Kerns außerhalb der zentralen Zone vorhanden. Mit anderen Worten, die zentrale Zone des Kerns 2, äie sich von der Mittelachse des Kerns aus bis zu einem Radius erstreckt, der etwa dem halben Radius des Kerns entspricht, setzt sich sowohl aus ersten Brennstoffzellen 6 als auch aus zweiten Brennstoffzellen 8 zusammen, und der größere Teil der Randzone des Kerns außerhalb der zentralen Zone enthält nur erste Brennstoffzellen 6, jedoch keine Brennstoffzellen 8.

Längs des äußeren Randes, d.h. in der Umfangszone des Kerns 2, sind Brennstoffbaugruppen 10 angeordnet, die als frischer Brennstoff einen mittleren unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor aufweisen, welcher im wesentlichen gleich dem mittleren unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor der Brennstoff baugruppen der ersten Brennstoffzellen 6 ist, ./obei sich jedoch die Baugruppen 10 von den Baugruppen der ersten Brennstoffzellen 6 bezüglich der für das verbrennbere Gift geltenden Spezifikationen unterscheiden. Aus noch 71 erläuternden Gründen hat das in den Brennstoffbaugrupper· 10 enthaltene verbrennbare Gift als frischer Brennstoff eira Konzentration, die auf einem niedrigeren Wert gehalten wird als diejenige des verbrennbaren Giftes, das in den Brennstoff baugruppen der ersten Brennstoffzellen 6 enthalten ist.

Gemäß Fig. 2 bilden die zweiten Brennstoffzellen 8 Regelzellen, bei denen die Regelstäbe 12 während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors betätigt werden, um Änderungen bezüglich der überschüssigen Reaktivität des Kerns 2 und der Leistungsverteilung in dem Kern auszugleichen. Die Regelstäbe 12 werden so eingeführt, daß sie von den Brennstoffbaugruppen 1.4, 16, 18 und 20 umschlossen werden, ein vorbestimmtes

030065/0698
BAD ORIGINAL

INCOMPLETE DOCUMENT

30227

Abschnitte unterteilt, die Konzentration bei 22 Abschnit-3,5 Gew.% beträgt, während im obersten und im untersten j schnitt eine Konzentration von etwa 1,5 Gew.% vorhanden j Fig. 3b zeigt eine Brennstoffbaugruppe 32 für eine zweite Brennstoffzelle 8, die einen mittleren Brennstoffanreiche rungsgrad von etwa 1,1 Gew.% aufweist und bei der kein ga limiumhaltiger Brennstoffstab vorhanden ist. Fig. 3c zeig eine Brennstoffbaugruppe 34 für eine.der äußersten Brenustoffbaugruppen 10, bei welcher der mittlere Brennstoffen! cherungsgrad etwa 2,8 Gew.% beträgt. Zu der Brennstoffbaugruppe 34 gehören sieben gadoliniumhaltige Brennstoffstäbe und jeder dieser sieben Stäbe weist eine Konzentration und Verteilung des Gadoliniums auf, die so gewählt sind, daß d Gadoliniumkonzentration über die ganze Länge der Brennst of: baugruppe 34 etwa 1,5 Gew.% beträgt. Die Konzentration ces Gadoliniums wird am oberen und unteren Ende der Brennstoffbaugruppe 30 und bei den äußersten Brennstoffbaugruppen verringert, da das Vorhandensein von unverbrannten Gadolini am oberen und unteren Ende des Kerns sowie im äußersten Bereich in der Endphase eines Betriebszyklus vermieden werden kann.

Die Brennstoffbaugruppen nach Fig. 3a bis 3c sind in Fig·. 4a bis 6b ihrem materiellen Aufbau entsprechend dargestellt. Fig. 4a, 5a und 6a zeigen jeweils einen waagerechten Schnitt der Brennstoffbaugruppen 30, 32 und 34; hierbei weist jede Brennstoffbaugruppe mehrere Brennstoffstäbe in Positionen auf, die in Kreise eingezeichnet sind. Fig. 4b, 5b und 6b zeigen den Grad der Brennstpffanreicherung der Brennstoffstäbe der verschiedenen Arten von Brennstoffbaugruppen sowie die Gadoliniumkonzentrationswerte für den Fall, daß die Brennstoffstäbe verbrennbares Gift enthalten; die Brennstoffstäbe sind jeweils durch darunter stehende Symbole bezeichnet. In Fig. 4a, 4b bzw. 5a, 5b bzw. 6a, 6b sind die mit den gleichen Symbolen bezeichneten Brennstoffstäbe von

03006S/069Ö
BAD ORIGiNAL

gleicher Art. In Fig. 4a, 4b und 6a, 6b bezeichnen die Symbole Fl bis F6 Brennstoffstäbe, die kein Gadolinium enthalten und bei denen der Brennstoffanreicherungsgrad jeweils der zugehörigen Bezeichnung entspricht, während das Symbol FG gadoliniumhaltige Brennstoffstäbe bezeichnet, bei denen die zugehörigen Angaben für den Brennstoffanreicherungsgrad und die Konzentration des Gadoliniums gelten. In Fig. 5a und 5b bezeichnen die Symbole Fl bis F6 Brennstoffstäbe, die kein Gadolinium enthalten und bei denen jeweils der Brennstoff anr.eicherungsgrad angegeben ist. In allen Figuren bezeichnet das Kurzzeichen W Wasserstäbe.

Fig. 7 zeigt die Änderungen des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors, die sich abspielen, während die Verbrennung jeder Brennstoffbaugruppe fortschreitet. Auf der Ordinate ist der unendliche Neutronenvervielfachungsfaktor Koo aufgetragen, während auf der Abszisse der Verbrennungs- bzw. Verbrauchsgrad GWd/st aufgetragen ist. Die Kurve 50 veranschaulicht eine Änderung des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors, die sich im größeren Teil der Brennstoffbaugruppe 30 abspielt, die für jede erste Brennstoffzelle 6 verwendet wird, mit Ausnahme des oberen und des unteren Endabschnitts; die Kurve 52 veranschaulicht die Änderung des unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktors, die bei der Brennstoff bau gruppe 32 für jede zweite Brennstoffzelle S stattfindet, und die Kurve 54 gilt für die Änderung des unendlichen Neutronenvervielfachungsfaktors, die bei jeder Brennstoffbaugruppe 34 für eine der äußersten Brennstoffbaugruppen 10 sowie im oberen und unteren Endabschnitt jeder Brennstoffbaugruppe 30 für eine erste Brennstoffzelle 6 stattfindet.

Die Eigenschaften des Kerns 2 als einer konstruktiven Einheit werden im wesentlichen durch die Eigenschaften der Brennstoffbaugruppen 30 bestimmt, die bei den ersten Brennstoff-

030 0 65/0696

zellen 6 vervendet werden, aus denen der' größte Teil des Kerns besteht. Die Brennstoffbaugruppen 30 sind in einer vier Chargen umfassenden gestreuten Beschickungszone des Kerns 2 angeordnet, wo eine Umlagerung von Brennstoff nur selten durchgeführt wird. Somit sind bei den ersten Brennstoffzellen 0 mit je vier nahe beieinander angeordneten Brennstoffbaugruppen 30 jeweils vier Brennstoffbaugruppen 30 vorhanden, die in dem Kern während des ersten Jahres bzw. des zweiten Jahres bzw. des dritten Jahres bzw. des vierten Jahres betrieben werden. Das Ausmaß des Verbrauchs während eines Betriebszyklus beträgt etwa 6,15 GWd/st, und der Brennstoff in den Hauptteilen des Kerns 2 zeigt eine Tendenz zur Verstärkung seiner Verbrennung. Gemäß Fig. 7 ist somit bei den Brennstoffbaugruppen 30, bei denen die Betriebsdauer in dem Kern 2 mehr als ein Jahr beträgt, das darin enthaltene Gadolinium verbraucht worden, so daß die Brennstoffbaugruppen 30 im Verlauf der fortschreitenden Verbrennung eine Verringerung des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors zeigen. Somit zeigen die Brennstoffbaugruppen 30 während des zweiten, des dritten und des vierten BetriebsJahres eine Verringerung des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors im Verlauf der Verbrennung, während die Brennstoffbaugruppen 30 während des ersten Betriebsjahres im Verlauf der Verbrennung eine Zunahme des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors erkennen lassen. Gemäß Fig. 7 ist ferner die Geschwindigkeit der Zunahme des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors der Brennstoffbaugruppen 30 während des ersten Betriebsjahres etwa dreimal so groß wie die Geschwindigkeit der Verringerung des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors der Brennstoffbaugruppen 30 im zweiten, dritten und vierten Betriebsjähr. Daher zeigt der mittlere unendliche Neutronenvervielfachungsfaktor der Zellen im Verlauf eines Betriebszyklus nur sehr geringe Schwankungen, wenn man eine Messung bei einem Satz von vier Brennstoffbaugruppen jeder Brennstoffzelle durchführt. Wegen dieses Merkmals zeigt der Kern 2 im Verlauf des Verbrennungsvorgangs nur sehr geringe Änderungen

030 065/0 696

der überschüssigen Reaktivität, so daß es möglich ist, die Anzahl der Regelstäbe zu verringern, die während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors betätigt werden; in der Praxis kann die Anzahl der Regelstäbe unter neun liegen.

Gemäß Fig. 7 weist jede Brennstoffbaugruppe 32, die für eine zweite Brennstoffzelle 8 verwendet wird, während der gesamten Gebrauchsdauer einen relativ niedrigen unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor auf. Daher ist es nicht erforderlich, die Reaktorleistung zu verringern, wenn die Regelstäbe der zweiten Brennstoffzellen 8 betätigt werden, um Änderungen der Reaktivität des Kerns und der Leistungsverteilung während des normalen Leistungsbetriebs auszugleichen.

Fig. 8 zeigt eine radiale Verteilung von relativen mittleren Zellenleistungswerten des Kerns während des Endstadiums eines Betriebszyklus, bei dem sämtliche Regelstäbe zurückgezogen sind. Hierbei ist auf der Ordinatenachso die relative Leistung bei Brennstoffzellen aufgetragen, und die Abszissenwerte veranschaulichen die radiale Position innerhalb des Kerns, wobei die relative Leistung der Brennstoffzellen als Mittelwert für die vier Brennstoffbaugruppen einer Brennstoffzelle angegeben ist. In der rechten oberen Ecke von Fig. 8 ist ein Viertel eines Kerns dargestellt, wobei die Strecke 58 die Positionen bezeichnet, für welche die relativen Leistungswerte berechnet sind; bei 60 ist die Position der zweiten Brennstoffzellen 8 angedeutet, während bei 62 die radiale Verteilung der relativen Leistungswerte des Kerns dargestellt ist. Gemäß Fig. 8 liefern diejenigen Teile des Kerns 2, in welchen die zweiten Brennstoffzellen 8 angeordnet sind, eine geringe relative Leistung, so daß sie zur Abflachung der radialen Leistungsverteilung beitragen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Kernkonstruktion zahlreiche Vorteile bietet.

030065/0696

Bei einem Brennstoffersatz ist es nicht erforderlich, Brennstoff umzulagern, und der Betrieb des Reaktors ist unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Regelstäben möglich. Ferner ist es nicht erforderlich, die Reaktorleistung zu verringern, wenn die Regelstäbe während des normalen _;Lei-, stungsbetriebs des Reaktors betätigt werden, und es erübrigt sich sogar eine Änderung des Anordnungsmusters der Regelstäbe. Somit bietet die Erfindung die Möglichkeit, den Betrieb eines Kernreaktors zu vereinfachen, den Ausnutzungsgrad des Kernreaktors zu vergrößern und die thermische Reserve zu steigern.

030065/0696

Leerseite

Claims

1. Kernkonstruktion für einen Kernreaktor mit zahlreichen Brennstoffzellen, die einen Kern bilden, bei dem zu jeder Brennstoffzelle vier Brennstoffbaugruppen gehören, die nahe beieinander angeordnet sind, sowie ein Regelstab, der in eine Stellung einführbar ist, in der er von den vier Brennstoffbaugruppen umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet; , daß zu den Brennstoffzellen (4) erste Brennstoffzellen (6) gehören, von denen jede einen relativ hohen mittleren unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor aufweist und mit einer ein verbrennbares Gift enthaltenden Brennstoffbaugruppe versehen ist, sowie zweite Brennstoffzellen (8), von denen jede einen relativ niedrigen mittleren unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktor aufweist und nicht mit einer ein brennbares Gift enthaltenden Brennstoffbaugruppe versehen ist, daß die ersten Brennstoffzellen (6) sowohl in einer zentralen Zone des Kerns (2) innerhalb etwa des halben Kernradius, bezogen auf die Mittelachse des Kerns,

03QQ66/06Ö6

ORIGINAL INSPECTED

als auch in einer Umfangszone des Kerns außerhalb seiner zentralen Zone angeordnet sind, daß die zweiten Brennstoffzellen (8) nur in der zentralen Zone des Kerns angeordnet sind, während keine zweiten Brennstoffzellen in der Umfangszone des Kerns angeordnet sind, und daß nur die zweiten Brennstoffzellen Steuerzellen aufweisen, bei denen es mit Hilfe der Regelstäbe (12) möglich ist, während des normalen Leistungsbetriebs des Reaktors Veränderungen der Reaktivität des Kerns und der Leistungsverteilung auszugleichen bzw. einzustellen.

2. Kernkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den ersten Brennstoffzellen (6) jeweils Brennstoffbaugruppen mit einem relativ hohen Anreicherungsgrad,gehören und daß zu den zweiten Brennstoffzellen (8) Brennstoffbaugruppen mit einem relativ niedrigen Anreicherungsgrad gehören.

3. Kernkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den in der zentralen Zone des Kerns (2) angeordneten zweiten Brennstoffzellen diejenigen Brennstoffzellen (8) gehören, welche im wesentlichen über den Umfang mindestens eines gedachten Kreises verteilt sind, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Kerns zusammenfällt.

4. Kernkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu den sowohl in der zentralen Zone als auch in der Umfangszone des Kerns (2) angeordneten ersten Brennstoffzellen (6) vier Arten von Brennstoffbaugruppen (14, 16, 18, 20) gehören, die sich voneinander bezüglich ihrer Verwendungsdauer innerhalb des Kerns im wesentlichen im gleichen Ausmaß unterscheiden, wobei die neueste Brennstoffbaugruppe ein verbrennbares Gift enthält.

5, Kernkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder der sowohl in der zentralen Zone als auch in der ürafangszone des Kerns (2) angeordneten ersten Brennstoffzellen (6) vier Arten von Brennstoffbaugruppen (14, 16, 18, 20) gehören, die sich voneinander bezüglich ihrer Gebrauchsdauer in dem Kern um jeweils ein Jahr unterscheiden, wobei die neueste Brennstoffbaugruppe ein verbrennbares Gift enthält.

6. Kernkonstruktion nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem verbrennbaren Gift Gadolinium (gadolinia) gehört.