DE3308956C2

DE3308956C2 -

Info

Publication number: DE3308956C2
Application number: DE3308956A
Authority: DE
Inventors: Russell Lee Saratoga Calif. Us Crowther; Dennis Bryson San Jose Calif. Us Townsend
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1983-03-12
Publication date: 1990-12-20
Also published as: IT8320150A0; SE8300979L; DE3308956A1; JPS58179392A; SE8300979D0; IT1160746B; SE500900C2; JPH0378599B2; ES8404543A1; ES520007A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffbündel für einen Siedewasserreaktorkern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a nuclear fuel bundle for one Boiling water reactor core according to the preamble of claim 1.

Die DE-OS 29 41 076 beschreibt ein Verfahren zum Füllen eines Reaktorkerns mit Kernbrennstoff und zum Betreiben dieses Reaktorkerns. Das Verfahren dieser Druckschrift beruht auf der Trennung der Kontrollstabfunktionen in die Kontrolle der Leistungsform und Reaktivität sowie die Funktionen zum Abstellen des Reaktors, zu welchem Zwecke ein eine geringe Reaktivität aufweisender oder speziell ausgelegter Brennstoff in sogenannte Kontrollzellen eingebracht wird, in die die Kontrollstäbe, die die Steuerung der Leistungsform und der Reaktivität vornehmen, im Leistungszustand des Kernes eingeführt werden. Neben diesen Kontrollzellen gibt es sogenannte Nichtkontrollzellen, deren Kontrollstäbe im Gegensatz zu den Kontrollstäben der Kontrollzellen im Leistungszustand herausgezogen sind und nur zum Abstellen des Reaktors eingeführt werden.DE-OS 29 41 076 describes a method for filling of a reactor core with nuclear fuel and for operation of this reactor core. The procedure of this document is based on the separation of the control staff functions in the control of the form of performance and reactivity as well the functions for shutting down the reactor to which Purposes of a low reactivity or specially designed fuel in so-called control cells is introduced, in which the control rods, the control the form of performance and reactivity, be introduced in the core's performance state. In addition to these control cells, there are so-called non-control cells their control staffs in contrast to the Control bars of the control cells in the performance state are pulled out and only to shut down the reactor be introduced.

Ein Kernbrennstoffbündel der eingangs genannten Art ist Gegenstand der US-PS 37 99 839. Das Kernbrennstoffbündel nach der US-PS 37 99 839 enthält eine Verteilung an abbrennbarem Absorber, die in Richtung auf den axialen Bereich mit dem Reaktivitätsmaximum im heißen Betriebszustand, d. h. den unteren Teil des Bündels, konzentriert ist. Damit soll dem Umstand Rechnung getragen werden, daß während des Reaktorbetriebes der Prozentgehalt von Dampfblasen gegen den oberen Teil des Kernes hin zunimmt. Dies führt ohne die spezielle Ausführung des Kernbrennstoffbündels nach der vorgenannten US-PS zu einer verminderten Moderation in diesen oberen Bereichen des Kernes und somit zu einer Leistungsverteilung, die gegen die unteren Bereiche des Kernes hin zunimmt.A nuclear fuel bundle of the type mentioned is Subject of US-PS 37 99 839. The nuclear fuel bundle according to US-PS 37 99 839 contains a distribution of combustible Absorbers that are directed towards the axial area with the reactivity maximum when hot, d. H. the lower part of the bundle, concentrated is. This is to take into account the fact that the percentage of Vapor bubbles increase towards the top of the core. This leads without the special design of the nuclear fuel bundle according to the aforementioned US PS to a reduced Moderation in these upper areas of the core and thus to a power distribution that against the lower ranges of the core increases.

Für den kalten abgeschalteten Zustand ist die Situation jedoch völlig anders. Im kalten Zustand ist der obere Teil eines bestrahlten Kernes eines Siedewasserreaktors reaktiver als der Bodenteil wegen der größeren Plutoniumerzeugung und des geringeren U²³⁵-Zerfalls während des Betriebes im oberen Teil (größeres Umwandlungsverhältnis und geringerer Abbrand im oberen Teil des Kernes). Im kalten abgeschalteten Zustand sind die Dampfblasen im oberen Teil des Kernes beseitigt und machen so den oberen Teil des Kernes reaktiver als den Bodenteil. Typische Standards erfordern einen Reaktivitäts-Abschaltspielraum von 0,38% (k_eff kleiner als 0,9962), wobei irgendein Steuerstab sich außerhalb des Kernes befindet. Um einen Spielraum für Vorhersageunsicherheiten zu haben, wird üblicherweise ein vorhergesagter Abschaltspielraum von 1% (k_eff weniger als 0,99), der durch die Steuerstäbe und die abbrennbaren Absorber zu liefern ist, als Grundlage für den Entwurf des Reaktorkernes benutzt.However, the situation is completely different for the cold switched off state. In the cold state, the upper part of an irradiated core of a boiling water reactor is more reactive than the bottom part because of the greater plutonium production and the lower U²³⁵ decay during operation in the upper part (larger conversion ratio and less burnup in the upper part of the core). When cold, the vapor bubbles in the upper part of the core are eliminated, making the upper part of the core more reactive than the bottom part. Typical standards require a reactivity shutdown margin of 0.38% (k _eff less than 0.9962) with any control stick outside the core. In order to have a margin for forecasting uncertainty, a predicted cut-off margin of 1% (k _eff less than 0.99), which is to be provided by the control rods and the combustible absorbers, is usually used as the basis for the design of the reactor core.

Während das axiale Leistungsprofil durch Bereitstellung größerer Mengen von abbrennbarem Absorber in den unteren Abschnitt des Reaktorkernes in gewünschter Weise eingestellt werden kann, führt die optimale Absorberverteilung für ein optimiertes axiales Leistungsprofil doch nicht zu einem angemessenen Spielraum für den kalten abgeschalteten Zustand. Um die Anforderungen für den kalten abgeschalteten Zustand zu erfüllen, ist es üblicherweise erforderlich, mit einem Überschuß an abbrennbaren Absorberresten zu entwerfen, der die Anforderungen an die anfängliche Anreicherung und das Uranerz erschwert und die Kosten für den Brennstoffzyklus des Reaktors erhöht. While the axial performance profile by providing larger Amounts of combustible absorber in the lower section the reactor core can be adjusted in the desired manner, leads the optimal absorber distribution for an optimized axial Performance profile does not provide adequate scope for the cold switched off state. To meet the requirements for cold switched off state, it is usually required with an excess of combustible To design absorber residues that meet the requirements of the initial Enrichment and uranium ore complicates and costs increased for the fuel cycle of the reactor.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß Gadoliniumoxid die thermische Leitfähigkeit der Brennstoffstäbe vermindert und die Abgabe von Spaltgas erhöht. Die Gadoliumoxid enthaltenden Stäbe sind daher häufig die am meisten beschränkenden Stäbe in dem Kernbrennstoffbündel und müssen daher in einem Bereich des Reaktors angeordnet sein, der ein geringeres Leistungsniveau hat, was sich nachteilig auf die örtliche Leistungsverteilung auswirkt. Der Anteil der Leistungsverminderung, der erforderlich ist, hängt von der Gadoliniumoxidkonzentration ab, wird jedoch ein ernstes Problem in Brennstoffbündeln für ausgedehnten Abbrand und/oder für Zyklen hoher Energie, bei denen erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentrationen erforderlich sind, um einen angemessenen Spielraum für den kalten abgeschalteten Zustand zu schaffen.Another problem is that gadolinium oxide reduced thermal conductivity of the fuel rods and the release of fission gas increases. The gadolium containing Bars are therefore often the most restrictive bars in the nuclear fuel bundle and must therefore be in a range of Reactor be arranged, the lower performance level has what is detrimental to the local power distribution affects. The percentage of performance degradation that is required depends on the gadolinium oxide concentration however, a serious problem in extended fuel bundles Burn and / or for high energy cycles where increased Gadolinium oxide concentrations are required to an adequate margin for the cold switched off state to accomplish.

Die für den heißen Betriebszustand und den kalten abgeschalteten Zustand erforderlichen Spielräume erfordern somit im Wettbewerb stehende Einschränkungen bei dem Entwurf des Reaktorkernes und haben daher das Erreichen einer optimalen Kernkonfiguration verhindert.Those switched off for the hot operating state and the cold one The necessary leeway thus requires competition standing restrictions in the design of the reactor core and therefore have an optimal core configuration prevented.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Kernbrennstoffbündel der eingangs genannten Art zu schaffen, das es gestattet, den Spielraum für den kalten abgeschalteten Zustand zu erhöhen, wobei nur minimale Nachteile für die Betriebswirksamkeit in Kauf zu nehmen sind.The present invention is therefore based on the object a nuclear fuel bundle of the type mentioned at the beginning create that allows the leeway for the cold switched off state to increase, being minimal To accept disadvantages for the operational effectiveness are.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing Part of claim 1 solved.

Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffbündel minimalisiert die am Ende des Zyklus in den abbrennbaren Absorbern noch vorhandene Reaktivität, es minimalisiert die Anforderungen an die anfängliche Anreicherung, ermöglicht den Einsatz einer größeren Konzentration an abbrennbarem Absorber und nutzt diese optimal und maximalisiert die Flexibilität hinsichtlich der Verteilung des abbrennbaren Absorbers zur Steuerung des axialen Leistungsprofils.The nuclear fuel bundle according to the invention is minimized those at the end of the cycle in the burnable absorbers existing reactivity, it minimizes the requirements at the initial enrichment, allows use a greater concentration of combustible absorber and uses them optimally and maximizes flexibility regarding the distribution of the combustible absorber to control the axial performance profile.

Die axiale Zone, in der die Komponente aus neutronenabsorbierendem Material angereichert ist, wird auch als "Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand" bezeichnet, und sie entspricht mindestens teilweise einem Abschnitt des axialen Bereiches, in dem die Reaktivität im kalten abgeschalteten Zustand ein Maximum erreicht, d. h., in dem der Neutronenfluß im kalten abgeschalteten Zustand einen Spitzenwert aufweist. Das Kernbrennstoffbündel ist daher mit einer größeren Konzentration an abbrennbarem Absorber oder einer größeren Zahl über den Querschnitt verteilter Bereiche mit abbrennbarem Absorber in dem Steuerbereich für den kalten abgeschalteten Zustand versehen. Dieser Steuerbereich für den kalten abgeschalteten Zustand gestattet die Verminderung des abbrennbaren Absorbers in anderen Bereichen im oberen und mittleren Teil des Kernes. Dies gestattet eine Verminderung des Gesamtgehaltes des Kernbrennstoffbündels an abbrennbarem Absorber und erleichtert eine optimale Verteilung des abbrennbaren Absorbers.The axial zone in which the component is made of neutron absorbing Material enriched is also considered "Cold Shutdown Control Zone" means and it is at least partially one Section of the axial area in which the reactivity reached a maximum when switched off cold, d. i.e. in which the neutron flux is switched off in the cold Condition has a peak. The nuclear fuel bundle is therefore with a greater concentration of combustible Absorber or a larger number over the Cross-section of distributed areas with combustible absorber in the control area for the cold turned off Condition provided. This control area for the cold switched off state allows the reduction of the burnable absorber in other areas in the upper and middle part of the core. This allows a reduction of the total content of the nuclear fuel bundle on combustible absorber and facilitates optimal Distribution of the combustible absorber.

Unter Komponente aus spaltbarem Material wird das spaltbare Material in allen Brennstäben des Kernbrennstoffbündels verstanden. So ist zum Beispiel die Aggregatmenge an spaltbarem Material an irgendeinem axialen Ort im Kernbrennstoffbündel die Gesamtmenge des Gehaltes an spaltbarem Material aller Brennstäbe an diesem axialen Ort.Under fissile material component becomes fissile Material understood in all fuel rods in the nuclear fuel bundle. For example, the aggregate amount of fissile material is on some axial location in the nuclear fuel bundle the total amount of Content of fissile material of all fuel rods on this axial Place.

Unter Komponente aus neutronenabsorbierendem Material wird das neutronenabsorbierende Material in allen Absorber enthaltenden Stäben oder Elementen des Kernbrennstoffbündels verstanden. So ist zum Beispiel die Aggregatmenge an absorbierendem Material an irgendeiner axialen Stelle in dem Kernbrennstoffbündel die Gesamtmenge des Gehaltes an absorbierendem Material in allen Absorber enthaltenden Stäben oder Elementen an dieser axialen Stelle. That is under component made of neutron absorbing material neutron absorbing material in all rods containing absorber or elements of the nuclear fuel bundle understood. So is for Example the aggregate amount of absorbent material on any axial location in the nuclear fuel bundle the total amount of the content of absorbent material in all absorbers containing Bars or elements at this axial location.

Die axiale Verteilung der Komponente aus neutronenabsorbierendem Material schließt üblicherweise Abschnitte ein, die sich über den größten Teil oder die gesamte axiale Ausdehnung des spaltbaren Materials erstrecken, um das erwünschte axiale Leistungsprofil zu ermöglichen, wobei diese axiale Verteilung durch eine zusätzliche Konzentrierung in einer axialen Zone charakterisiert ist, die zumindest teilweise einem Abschnitt der axialen Region entspricht, in dem der Kern im heißen Betriebszustand eine maximale Reaktivität errreicht. Diese letztgenannte Zone, die auch als "heiße Betriebssteuerzone" bezeichnet ist, ist üblicherweise länger als die Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand, und sie befindet sich nahe dem Boden des Kernbrennstoffbündels.The axial distribution of the component from neutron absorbing Material typically includes sections that overlap most or all of the axial extent of the fissile Material extend to the desired axial Allow power profile, this axial distribution by additional concentration in an axial zone is characterized, the at least partially a section corresponds to the axial region in which the core is in the hot operating state achieves maximum reactivity. The latter Zone, also known as the "hot business control zone" is usually longer than the tax zone for the cold shutdown state and it is close to that Bottom of the nuclear fuel bundle.

Die Komponente aus neutronenabsorbierendem Material ist geeigneterweise in mindestens einige der Kernbrennstoffstäbe eingebracht. Die Konzentrierung in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand kann zumindest teilweise dadurch erreicht werden, daß ein oder mehrere Brennstoffstäbe den Absorber nur in dieser Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand aufweisen. Wird Gadoliniumoxid als neutronenabsorbierendes Material benutzt, dann kann die Konzentration an Gadoliniumoxid in diesen Stäben höher sein als in den anderen Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäben, da der Gesamtbeitrag dieser kurzen Segmente mit hoher Gadoliniumoxid-Konzentration zum internen Gasdruck gering ist.The neutron absorbing material component is suitable placed in at least some of the nuclear fuel rods. Concentration in the control zone for the cold switched off state can at least partially be achieved thereby be that one or more fuel rods the absorber only in this control zone for the cold turned off Condition. Gadolinium oxide is used as a neutron absorbing Material used, then the concentration of gadolinium oxide be higher in these bars than in the others Fuel rods containing gadolinium since the total contribution these short segments with high gadolinium oxide concentration internal gas pressure is low.

Durch Konfigurieren des Kernbrennstoffbündels mit der höchsten Konzentration und der größten Zahl von Bereichen mit abbrennbarem Absorber in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand, wird daher der Wert an brennbarem Absorber für den kalten abgeschalteten Zustand maximiert. Gleichzeitig findet diese Absorberkonzentrierung in dem Bereich verminderter Neutronenbedeutung des Kernes im heißen Betriebszustand statt, so daß sie eine minimale Auswirkung auf die axiale Leistungsverteilung im heißen Betriebszustand hat. Außerdem wirkt sich die Restabsorption durch das Gadoliniumoxid in der kalten Reaktivitätszone minimal im heißen Betriebszustand, aber maximal im kalten abgeschalteten Zustand aus. Dadurch werden die nachteiligen Brennstoffzyklus-Auswirkungen minimalisiert.By configuring the nuclear fuel bundle with the highest Concentration and the largest number of areas with flammable Absorber in the control zone for the cold switched off Condition, therefore the value of combustible absorber for the cold shutdown maximized. Finds at the same time this absorber concentration in the area of reduced neutron significance the core takes place in the hot operating state, so that they have a minimal impact on the axial power distribution in the hot operating state. It also has an effect the residual absorption by the gadolinium oxide in the cold reactivity zone minimal in the hot operating state, but maximum off when cold. This will make the disadvantageous Minimized fuel cycle impact.

Die Kernbrennstoffstäbe, die nur das kurze Gadoliniumoxid-haltige Segment in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand aufweisen, können in Gitterpositionen angeordnet werden, die normalerweise für Gadoliniumoxid verboten sind, wie diagonal benachbart den Eckstäben des Kernbrennstoffbündels.The nuclear fuel rods that only contain the short gadolinium oxide Segment in the control zone for the cold shutdown State, can be arranged in grid positions, that are normally banned for gadolinium such as diagonally adjacent to the corner rods of the nuclear fuel bundle.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Konzentrierung des neutronenabsorbierenden Materials in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand ergänzt werden durch eine verminderte Brennstoffanreicherung in dieser Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand. Die verminderte Anreicherung kann auf die Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe begrenzt werden, wodurch man die Brennstoffherstellung vereinfacht. Die verminderte Brennstoffanreicherung in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand macht einen wirksameren Gebrauch der Neutronen als die Erhöhung des Gadoliniumoxidgehaltes in dieser Zone. Die Anforderungen an den Bestand an spaltbarem Material zur Erzielung eines gegebenen Abbrandes werden vermindert. Die Reaktivitätsabnahme aufgrund der verminderten Brennstoffanreicherung herrscht während der Aufenthaltszeit des Kernbrennstoffbündels im Reaktorkern vor, während die abbrennbaren Absorber die Reaktivität hauptsächlich während des ersten Zyklus bis zur Wiederauffüllung mit Brennstoff vermindern. Für eine festgelegte Spitzenanreicherung vermindert die geringere Brennstoffanreicherung in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand den Abbrand und erschwert das Auftreten von Spitzen im axialen Leistungsprofil stärker als dies eine erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentration in dieser Zone täte. Daher ist es vorteilhaft, eine Kombination aus verminderter Brennstoffanreicherung und erhöhtem Gadoliniumoxidgehalt zu benutzen. According to an advantageous embodiment of the present Invention can concentrate the neutron absorbing Materials in the control zone for the cold switched off state can be supplemented by a reduced one Fuel enrichment in this control zone for the cold switched off state. The reduced enrichment can on the gadolinium containing fuel rods be limited, thereby reducing fuel production simplified. The decreased fuel enrichment in the control zone for the cold switched off state more effective use of neutrons than enhancement the gadolinium oxide content in this zone. The requirements to the stock of fissile material to achieve a given erosion are reduced. The decrease in reactivity due to the reduced fuel enrichment prevails during the stay of the nuclear fuel bundle in the reactor core before, while the burnable absorber the reactivity mainly during the first Reduce the cycle to refill with fuel. For a fixed peak enrichment, the lower fuel enrichment in the tax zone for the cold switched off state the burning and difficult the appearance of peaks in the axial performance profile stronger than this an increased gadolinium oxide concentration would do in this zone. Therefore, it is advantageous to use a combination from reduced fuel enrichment and increased Gadolinium oxide content to use.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigtIn the following the invention with reference to the drawing explained in more detail. In detail shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines wassergekühlten und -moderierten Kernreaktors, Fig. 1 is a schematic illustration of a water cooled and moderated nuclear reactor,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des allgemeinen Layouts des Kernes eines Kernbrennstoffreaktors, Fig. 2 is a schematic view showing the general layout of the core of a nuclear reactor fuel,

Fig. 3 eine vereinfachte, teilweise weggeschnittene isometrische Ansicht einer der Brennstoffzellen im Kern, Fig. 3 is a simplified, partially cut-away isometric view of one of the fuel cells in the core,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of a nuclear fuel bundle according to the present invention,

Fig. 5A bis 5H die Zusammensetzungen auf der Längsachse verschiedener Ausführungsformen der Kernbrennstoffbündel gemäß der vorliegenden Erfindung, FIGS. 5A-5H, the compositions on the longitudinal axis of various embodiments of the nuclear fuel bundle according to the present invention,

Fig. 6A bis 6H die Zusammensetzungen auf der Längsachse der Gadoliniumoxid enthaltenden Kernbrennstoffstäbe in den Kernbrennstoffbündeln der Fig. 5A bis 5H, FIGS. 6A to 6H, the compositions on the longitudinal axis of the gadolinia-containing nuclear fuel rods in the nuclear fuel bundle of Fig. 5A to 5H,

Fig. 7A eine graphische Darstellung der relativen Leistung eines Reaktors im heißen Betriebszustand und FIG. 7A is a graph showing the relative performance of a reactor in the hot operating state and

Fig. 7B eine graphische Darstellung der relativen Leistung eines Reaktors im kalten abgeschalteten Zustand, in dem sich ein Kontrollstab außerhalb des Reaktorkerns befindet. FIG. 7B is a graph showing the relative performance of a reactor in the cold shutdown state, a control rod is in the outside of the reactor core.

Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines wassergekühlten und -moderierten Kernreaktorsystems 10 in schematischer Form von der Art des Siedewasserreaktors. Dieses System schließt einen Druckkessel 11 ein, innerhalb dessen ein Reaktorkern 12 angeordnet ist, der in einen Kühlmittel- Moderator eingetaucht ist, wie leichtes Wasser. Der Kern 12 umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffzellen 13, die von einer ringförmigen Umhüllung 14 umgeben sind. Jede Brennstoffzelle schließt vier Brennstoffbündel 15 sowie einen Steuerstab 16 ein. Die Brennstoffzellen sind durch ein oberes Kerngitter 18 und eine untere Kernplatte 19 im Abstand voneinander gehalten, und sie werden an ihren jeweiligen Bodenteilen durch geeignete Träger 20 abgestützt. Die Steuerstäbe können selektiv zwischen die Kernbrennstoffbündel einführbar sein, um die Reaktivität des Kernes zu steuern. Mit jedem Steuerstab ist ein Steuerstab-Führungsrohr 21 verbunden, das den Steuerstab führt, wenn er nach unterhalb des Kernes herausgezogen ist. Fig. 1 is a partially sectioned side view of a water cooled and moderated nuclear reactor system 10 in schematic form, the nature of the boiling water reactor. This system includes a pressure vessel 11 within which is located a reactor core 12 that is immersed in a coolant moderator, such as light water. The core 12 comprises a plurality of fuel cells 13 , which are surrounded by an annular envelope 14 . Each fuel cell includes four fuel bundles 15 and a control rod 16 . The fuel cells are held at a distance from one another by an upper core grid 18 and a lower core plate 19 , and they are supported on their respective base parts by suitable supports 20 . The control rods can be selectively insertable between the nuclear fuel bundles to control the reactivity of the core. A control rod guide tube 21 is connected to each control rod and guides the control rod when it is pulled out below the core.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht der Art und Weise, in der die Brennstoffzellen 13 innerhalb des Kernes 12 angeordnet sind. Ein typischer Kern würde in der Größenordnung von 300 bis 900 Kernbrennstoffbündel enthalten. Fig. 2 shows a schematic plan view of the manner in which the fuel cells 13 are arranged within the core 12. A typical core would contain on the order of 300 to 900 nuclear fuel bundles.

Der Teil des Druckkessels 11 unterhalb des Kernes 12 bildet eine Zuführungskammer 22 für das Kühlmittel, während der Teil des Druckkessels 11 oberhalb des Kernes eine Anordnung 25 zum Trennen und Trocknen des gebildeten Dampfes enthält. Im Betrieb setzt eine Kühlmittelzirkulationspumpe 27 das Kühlmittel in der Kühlmittel-Zuführungskammer 22 unter Druck und drückt es so durch den Kern 12 nach oben. Das Kühlmittel absorbiert Wärme, die durch Spaltreaktion innerhalb des Kernes erzeugt wird, und dabei wird ein Teil des Kühlmittels in Dampf umgewandelt, der durch die Anordnung 25 zum Abtrennen und Trocknen des Dampfes und zu einer Nutzungsvorrichtung, wie einer Turbine, 30 geführt wird. Ein Kühler 32, der in Reihe mit der Turbine angeordnet ist, kondensiert den aus der Turbine austretenden Dampf, und das Kondensat wird als Zuführwasser mittels einer Kondensatrückführungspumpe 35 der Einlaßseite der Kühlmittelzirkulationspumpe 27 zugeführt.The part of the pressure vessel 11 below the core 12 forms a supply chamber 22 for the coolant, while the part of the pressure vessel 11 above the core contains an arrangement 25 for separating and drying the steam formed. In operation, a coolant circulation pump 27 pressurizes the coolant in the coolant supply chamber 22 and thus pushes it up through the core 12 . The coolant absorbs heat generated by fission reaction within the core, thereby converting some of the coolant to steam which is passed through the steam separating and drying assembly 25 and to a utilization device such as a turbine 30 . A cooler 32 , which is arranged in series with the turbine, condenses the steam emerging from the turbine, and the condensate is fed as feed water by means of a condensate return pump 35 to the inlet side of the coolant circulation pump 27 .

Fig. 3 zeigt die Struktur einer der Brennstoffzellen 13. Der Steuerstab 16 hat ein kreuzförmiges Profil, das Steuerblätter 40 aufweist, von denen jedes zwischen zwei benachbarten Kernbrennstoffbündeln angeordnet ist. Jedes Kernbrennstoffbündel 15 umfaßt eine Vielzahl langer Kernbrennstoffstäbe 42, die in oberen und unteren Halteplatten 45 und 46 gehalten ist, wobei jedes Kernbrennstoffbündel 15 von einem rohrförmigen Strömungskanal 48 mit rechteckigem Querschnitt umgeben ist. Der untere Teil des Kernbrennstoffbündels ist mit einer Nase 50 versehen, die Öffnungen 52 aufweist, durch die das Kühlmittel-Wasser eindringen kann, um innerhalb des Strömungskanals 48 entlang den Kernbrennstoffstäben 42 nach oben zu strömen. Die Nase 50 ist so ausgebildet, daß sie in entsprechend ausgebildete, nicht dargestellte Ausnehmungen in den Trägern 20 für die Kernbrennstoffbündel paßt. Fig. 3 shows the structure of one of the fuel cells. 13 The control rod 16 has a cross-shaped profile which has control blades 40 , each of which is arranged between two adjacent nuclear fuel bundles. Each nuclear fuel bundle 15 includes a plurality of long nuclear fuel rods 42 held in upper and lower support plates 45 and 46 , each nuclear fuel bundle 15 being surrounded by a tubular flow channel 48 of rectangular cross-section. The lower part of the nuclear fuel bundle is provided with a nose 50 which has openings 52 through which the coolant water can penetrate in order to flow upward along the nuclear fuel rods 42 within the flow channel 48 . The nose 50 is designed so that it fits into appropriately designed recesses, not shown, in the carriers 20 for the nuclear fuel bundles.

Jeder Kernbrennstoffstab weist ein zylindrisches Umhüllungsrohr auf, das eine Vielzahl gesinterter Pellets aus angereichertem Uran- und/oder Plutoniumoxid-Brennstoff enthält. Die Anreicherung variiert innerhalb eines Kernbrennstoffbündels von Stab zu Stab üblicherweise über einen Bereich von etwa 0,7 bis 5 Gew.-% spaltbarem Material, was einen Durchschnitt von etwa 1,5 bis 3,5 Gew.-% an spaltbarem Material ergibt. Natürlich vorkommendes Uran enthält 0,7 Gew.-% spaltbares Material. Die Kernbrennstoffstäbe können einen Durchmesser von etwa 1,3 cm haben, und sie sind etwa 3,60-4,50 m lang.Each nuclear fuel rod has a cylindrical cladding tube on that a variety of sintered pellets of enriched Contains uranium and / or plutonium oxide fuel. The enrichment varies within a nuclear fuel bundle from Rod to rod typically over a range of approximately 0.7 up to 5% by weight of fissile material, which is an average of gives about 1.5 to 3.5 wt .-% of fissile material. Naturally occurring uranium contains 0.7% by weight of fissile material. The nuclear fuel rods can have a diameter of about 1.3 cm and they are about 3.60-4.50 m long.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht der horizontalen Verteilung der Brennstoffstäbe in einem typischen Kernbrennstoffbündel gemäß der vorliegenden Erfindung, das zum Wiederbeladen des Reaktors benutzt wird. Die Brennstoffstäbe 42 sind in einer 8×8-Matrix angeordnet, wobei zwei der zentralen Brennstoffstabstellen von Wasserkanälen 55 eingenommen werden, die manchmal auch als "Wasserstäbe" bezeichnet werden. Zehn der Brennstoffstäbe, die mit der Bezugsziffer 57 bezeichnet sind, enthalten einen abbrennbaren Absorber in Form von Gadoliniumoxid, und sie sind mit einem dickeren Kreis mit einer Codebezeichnung darin (G1, G2, G3 oder G4) veranschaulicht. Die übrigen 52 Brennstoffstäbe weisen kein Gadoliniumoxid auf, und sie sind durch einen Kreis mit einer Zahl darin veranschaulicht, die den Gewichtsprozentgehalt an U²³⁵ angibt, der im vorliegenden Fall im Bereich von 1,60 bis 3,95 Gew.-% liegt. Die Variation der Anreicherung horizontal über das Kernbrennstoffbündel 15 und die jeweiligen Stellen, an denen sich die Gadoliniumoxid enthaltenden Stäbe 57 befinden, sind durch bekannte Betrachtungen diktiert, die nicht im einzelnen diskutiert werden, da sie nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind. Figure 4 shows a schematic view of the horizontal distribution of the fuel rods in a typical nuclear fuel bundle according to the present invention used to reload the reactor. The fuel rods 42 are arranged in an 8 × 8 matrix, two of the central fuel rod locations being occupied by water channels 55 , which are sometimes also referred to as “water rods”. Ten of the fuel rods, identified by reference numeral 57 , contain a combustible absorber in the form of gadolinium oxide and are illustrated with a thicker circle with a code designation therein (G1, G2, G3 or G4). The remaining 52 fuel rods have no gadolinium oxide and are illustrated by a circle with a number therein that indicates the weight percentage of U²³⁵, which in the present case is in the range of 1.60 to 3.95% by weight. The variation in enrichment horizontally across the nuclear fuel bundle 15 and the respective locations where the gadolinia containing rods 57 are dictated by known considerations, which are not discussed in detail since they are not part of the present invention.

Die besondere Konfiguration der G1-, G2-, G3- und G4-Stäbe bestimmt das axiale Leistungsprofil sowie die Steuereigenschaften des Kernbrennstoffbündels im kalten abgeschalteten Zustand.The special configuration of the G1, G2, G3 and G4 rods determines the axial power profile as well as the control properties of the nuclear fuel bundle in the cold shutdown Status.

Es werden im folgenden verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Die Fig. 5A bis 5G veranschaulichen die axiale Zusammensetzung von sieben Ausführungsformen von Kernbrennstoffbündeln, während die Fig. 6A bis 6G die axiale Zusammensetzung der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe dieser sieben Ausführungsformen zeigen.Various embodiments are described below. FIGS. 5A through 5G illustrate the axial composition of seven embodiments of nuclear fuel bundles while Figures 6A to 6G, the axial gadolinia containing composition of the fuel rods expand. Seven of these embodiments.

Man sollte sich daran erinnern, daß das Kernbrennstoffbündel mit einer relativen Verstärkung des Gadoliniumoxids in einer gegebenen axialen Zone versehen werden kann, indem man die Zahl der Gadoliniumoxid enthaltenden Stäbe innerhalb dieser Zone erhöht oder indem die Konzentration des Gadoliniumoxids innerhalb einer festgelegten Anzahl von Stäben in dieser Zone erhöht. In den in der vorliegenden Erfindung benutzten Konzentrationen (2-5 Gew.-%) ist das gesamte Gadoliniumoxid selbst abgeschirmt.It should be remembered that the nuclear fuel bundle with a relative reinforcement of the gadolinium oxide in one given axial zone can be provided by the Number of bars containing gadolinia within this Zone increases or by the concentration of the gadolinium oxide within a set number of bars in this Zone increased. In those used in the present invention Concentrations (2-5% by weight) is the total gadolinium oxide shielded itself.

Fig. 5A gibt eine schematische Darstellung der Zusammensetzung in der Längsachse einer ersten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Kernbrennstoffbündel hat eine axiale Abmessung von etwa 3,75 m, und es weist je etwa 15 cm dicke Abdeckungen 59 aus natürlichem Uran im oberen und unteren Teil des Bündels auf sowie einen etwa 3,45 m langen angereicherten Abschnitt 60. Die Abdeckungen aus Natururan werden im folgenden nicht weiter besprochen, wohl aber der angereicherte Abschnitt 60. Fig. 5A is a schematic representation of the composition in the longitudinal axis of a first embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention. The nuclear fuel bundle has an axial dimension of approximately 3.75 m, and it has approximately 15 cm thick covers 59 made of natural uranium in the upper and lower part of the bundle and an approximately 3.45 m long enriched section 60 . The natural uranium covers are not discussed further below, but the enriched section 60 is .

Das Kernbrennstoffbündel weist eine Gadoliniumoxid-Komponente auf, die durch die Gadoliniumoxid enthaltenden Stäbe geschaffen wird, wobei die Gadoliniumoxid-Komponente zwei Zwecke erfüllt, nämlich das Bilden des axialen Leistungsprofils im heißen Betriebszustand und die Steuerung der Reaktivität im kalten abgeschalteten Zustand. Deshalb hat das Kernbrennstoffbündel eine Gadoliniumoxid-Verstärkung in einer beträchtlichen Zone 62, die als die "heiße Betriebssteuerzone" bezeichnet ist, sowie in einer relativ kurzen Zone 65, die als die "Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand" bezeichnet ist. Die Zone 62 befindet sich am oder nahe dem Boden des angereicherten Abschnittes 60, während die Zone 65 nahe dem Oberteil des angereicherten Abschnittes 60 liegt. In dieser besonderen Ausführungsform haben die Zonen 62 und 65 Längen von 135 bzw. 30 cm. Die Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand der Ausführungsform der Fig. 5A/6A erstreckt sich daher von etwa 285 bis etwa 315 cm oder von 76 bis 84% der etwa 375 cm Gesamthöhe des Brennstoffes im Kernbrennstoffbündel. Die Verstärkung des Gadoliniums in der Zone 62 erfolgte durch eine erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentration, während die Verstärkung in der Zone 65 sowohl durch eine erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentration als auch eine größere Zahl Gadoliniumoxid enthaltender Stäbe hervorgebracht ist.The nuclear fuel bundle has a gadolinium oxide component created by the rods containing gadolinium oxide, the gadolinium oxide component serving two purposes, namely forming the axial performance profile in the hot operating state and controlling the reactivity in the cold switched off state. Therefore, the nuclear fuel bundle has gadolinia reinforcement in a substantial zone 62 , referred to as the "hot operation control zone", and in a relatively short zone 65 , referred to as the "cold shutdown control zone". Zone 62 is at or near the bottom of enriched section 60 , while zone 65 is near the top of enriched section 60 . In this particular embodiment, zones 62 and 65 have lengths of 135 and 30 cm, respectively. The cold off control zone 65 of the embodiment of FIGS. 5A / 6A therefore extends from about 285 to about 315 cm, or from 76 to 84% of the about 375 cm total height of the fuel in the nuclear fuel bundle. The gadolinium in zone 62 was reinforced by an increased gadolinium oxide concentration, while the reinforcement in zone 65 was brought about both by an increased gadolinium oxide concentration and a larger number of rods containing gadolinium oxide.

Die Fig. 6A veranschaulicht die Zusammensetzung der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe in der Längsachse. Die G1- und G4-Stäbe schließen eine Komponente aus Gadoliniumoxid ein, die über die Gesamtheit des angereicherten Abschnittes 60 verteilt ist, wobei die G4-Stäbe eine erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentration in der heißen Betriebssteuerzone 62 aufweisen (4 Gew.-% gegenüber 2 Gew.-%). Die G4-Stäbe haben auch eine verstärkte Gadoliniumoxid-Konzentration (4 Gew.-%) in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand, wobei eine zusätzliche Gadoliniumoxid-Verstärkung in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand durch die G2- und G3-Brennstoffstäbe geliefert wird, die eine relative hohe Konzentration Gadoliniumoxid (5 Gew.-%) nur in der Zone 65 enthalten. FIG. 6A illustrates the composition of the fuel rods containing gadolinium oxide in the longitudinal axis. The G1 and G4 rods include a component of gadolinium oxide which is distributed over the whole of the enriched section 60 , the G4 rods having an increased concentration of gadolinium oxide in the hot operating control zone 62 (4% by weight compared to 2% by weight) .-%). The G4 rods also have an increased gadolinium oxide concentration (4% by weight) in the control zone 65 for the cold off state, with additional gadolinium oxide reinforcement in the control zone 65 for the cold off state by the G2 and G3 fuel rods is supplied which contain a relatively high concentration of gadolinium oxide (5% by weight) only in zone 65 .

Es sei erwähnt, daß die G2- und G3-Brennstoffstäbe durch eine etwas verminderte Urananreicherung in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand charakterisiert sind. Obwohl eine merklich reduzierte Anreicherung in dieser Zone ein Charakteristikum einiger der weiter unten zu beschreibenden Ausführungsformen ist, führt die verminderte Anreicherung in den G2- und G3-Brennstoffstäben allein nur zu einer geringen durchschnittlichen Verminderung über das Kernbrennstoffbündel. Die einzige Bedeutung für diese Ausführungsform ist die, daß es vorteilhaft ist, Brennstoffpellets mit vorbestimmten Gadoliniumoxid- und U²³⁵-Konzentrationen herzustellen.It should be noted that the G2 and G3 fuel rods are characterized by a somewhat reduced uranium enrichment in the control zone 65 for the cold shutdown condition. Although a markedly reduced enrichment in this zone is a characteristic of some of the embodiments to be described below, the reduced enrichment in the G2 and G3 fuel rods alone results in only a slight average reduction across the nuclear fuel bundle. The only meaning for this embodiment is that it is advantageous to produce fuel pellets with predetermined gadolinium oxide and U²³⁵ concentrations.

Der größere Gadoliniumoxid-Gehalt in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand gestattet eine Verminderung des Gadoliniumoxid-Gehaltes in den Zonen außerhalb der Zonen 65 und 62, um das erwünschte axiale Leistungsprofil zu erhalten.The greater gadolinia content in the cold shutdown control zone 65 allows a reduction in the gadolinia content in the zones outside of zones 65 and 62 to achieve the desired axial performance profile.

Der Stand der Technik ohne die Zone 65 hätte erfordert, den Gadoliniumoxidgehalt in der Zone 62 zu erhöhen, um das erwünschte axiale Leistungsprofil zu erhalten. Außerdem wäre nach dem Stand der Technik eine erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentration in allen axialen Zonen zum Aufrechterhalten des erwünschten axialen Leistungsprofils erforderlich gewesen, wenn man eine erweiterte Spanne für den kalten abgeschalteten Zustand benötigt hätte.The prior art without zone 65 would have required increasing the gadolinia content in zone 62 to achieve the desired axial performance profile. In addition, the prior art would have required an increased concentration of gadolinium oxide in all axial zones to maintain the desired axial performance profile if an extended span had been required for the cold shutdown condition.

Die Fig. 5B veranschaulicht schematisch die Zusammensetzung einer zweiten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung in der Längsachse. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 5A dadurch, daß die heiße Betriebssteuerzone mit etwa 120 cm etwas kürzer und die Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand mit 75 cm länger ist. Die Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand dieser Ausführungsform erstreckt sich von etwa 260 bis etwa 330 cm oder von 68 bis 88% der Höhe des Brennstoffes. Auch ist die Konzentration des Gadoliniumoxids in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand nicht gleichmäßig, sondern abgestuft, wobei ein zentraler Abschnitt 67 die maximale Gadolinium-Konzentration aufweist. FIG. 5B illustrates schematically the composition of a second embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention in the longitudinal axis. This embodiment differs from the embodiment of FIG. 5A in that the hot operating control zone is somewhat shorter at approximately 120 cm and the control zone 65 is longer at 75 cm for the cold switched-off state. The cold off control zone of this embodiment extends from about 260 to about 330 cm, or from 68 to 88% of the height of the fuel. The concentration of the gadolinium oxide in the control zone 65 for the cold, switched-off state is not uniform, but rather graded, a central section 67 having the maximum gadolinium concentration.

Die Fig. 6B veranschaulicht die Zusammensetzung der dazugehörigen, Gadoliniumoxid enthaltenden Stäbe auf der Längsachse. Es ist ersichtlich, daß die Form der Gadoliniumoxid-Verteilung in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand durch die G2- und G3-Stäbe geliefert wird, die einen relativ kürzeren Abschnitt mit verstärkter Gadoliniumoxid-Konzentration aufweisen als die G4- Stäbe.The Fig. 6B illustrates the composition of the associated, gadolinia-containing rods on the longitudinal axis. It can be seen that the form of the gadolinia distribution in the cold shutdown control zone 65 is provided by the G2 and G3 rods, which have a relatively shorter section with increased gadolinia concentration than the G4 rods.

Die Fig. 5C zeigt schematisch die longitudinale Zusammensetzung einer dritten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der der Fig. 5B dadurch, daß die Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand, obwohl sie hinsichtlich der Gadoliniumoxid- Konzentration auch abgestuft ist und sich von etwa 260 bis etwa 330 cm oder von 68 bis 88% der Höhe des Brennstoffes erstreckt, einen größeren Abschnitt 68 mit der maximalen Gadolinium-Konzentration aufweist. FIG. 5C schematically shows the longitudinal composition of a third embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention. This embodiment differs from that of FIG. 5B in that the cold off control zone, although graded in gadolinia concentration, is from about 260 to about 330 cm, or from 68 to 88% of the amount of fuel extends, has a larger portion 68 with the maximum gadolinium concentration.

Der Fig. 6C, die die longitudinalen Zusammensetzungen der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe veranschaulicht, kann entnommen werden, daß das Segment verstärkten Gadoliniumoxids der G2- und G3-Brennstoffstäbe länger ist als das der Ausführungsform der Fig. 5B und 6B, so daß von daher der Unterschied der Länge des Abschnittes 68 kommt. Fig. 6C, which illustrates the longitudinal compositions of the gadolinia-containing fuel rods can be seen that the segment amplified gadolinia of the G2 and G3 fuel rods is longer than that of the embodiment of FIGS. 5B and 6B, so that therefore the difference the length of section 68 comes.

Die Fig. 5D veranschaulicht schematisch die longitudinale Zusammensetzung einer vierten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ähnelt am stärksten der Ausführungsform nach Fig. 5B, doch ist sie durch einen etwas kürzeren zentralen Abschnitt der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand charakterisiert. Diese Steuerzone 65 erstreckt sich von etwa 270 bis etwa 330 cm oder 72 bis 88% der Höhe des Brennstoffes. FIG. 5D illustrates schematically the longitudinal composition of a fourth embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention. This embodiment is most similar to the embodiment of FIG. 5B, but is characterized by a slightly shorter central portion of control zone 65 for the cold, off state. This control zone 65 extends from about 270 to about 330 cm or 72 to 88% of the height of the fuel.

Fig. 6D gibt wieder eine schematische Darstellung der longitudinalen Zusammensetzung der dazugehörigen Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe. Fig. 6D gives a schematic representation of the composition of the associated longitudinal gadolinia-containing fuel rods.

Fig. 5E ist eine schematische Veranschaulichung der longitudinalen Zusammensetzung einer fünften Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ähnelt am meisten der Ausführungsform nach Fig. 5D, ihre Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand erstreckt sich von etwa 270 bis etwa 330 cm oder von 72 bis 88% der Höhe des Brennstoffes, doch ist sie durch eine etwas andere Gadoliniumoxid- Verteilung außerhalb der Steuerzonen 62 und 65 charakterisiert. Während die Ausführungsformen nach den Fig. 5A bis 5D durch acht Gadoliniumoxid enthaltende Stäbe außerhalb der Kontrollzone gekennzeichnet sind, von denen vier eine Gadoliniumoxid-Konzentration von 4 Gew.-% und vier eine solche von 2 Gew.-% haben, umfaßt die vorliegend besprochene fünfte Ausführungsform acht identische Stäbe mit einer Gadoliniumoxid-Konzentration von jeweils 3 Gew.-%. Während daher der absolute Gadoliniumoxid-Gehalt der gleiche ist, sind die Abbrenn- und Herstellungseigenschaften verschieden. Fig. 5E is a schematic illustration of the longitudinal composition of a fifth embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention. This embodiment is most similar to the embodiment of Figure 5D, its cold shutdown control zone 65 extends from about 270 to about 330 cm, or from 72 to 88% of the height of the fuel, but is due to a slightly different gadolinia distribution characterized outside the control zones 62 and 65 . While the embodiments of FIGS. 5A through 5D are characterized by eight gadolinia-containing bars outside the control zone, four of which have a gadolinium oxide concentration of 4% by weight and four have a concentration of 2% by weight, the one discussed here includes Fifth embodiment eight identical rods, each with a gadolinium oxide concentration of 3% by weight. Therefore, while the absolute gadolinium oxide content is the same, the burning and manufacturing properties are different.

Fig. 6E ist eine schematische Darstellung der longitudinalen Zusammensetzung der dazugehörigen Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe. Figure 6E is a schematic representation of the longitudinal composition of the associated gadolinia fuel rods.

Fig. 5F zeigt eine schematische Darstellung der Zusammensetzung einer sechsten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung in der Längsachse. Diese Ausführungsform hat die gleichen Zonengrößen und die gleiche Gadoliniumoxid- Verteilung wie die Ausführungsform nach Fig. 5D. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch dadurch, daß die Anreicherung in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand relativ zur Anreicherung außerhalb dieser Steuerzone beträchtlich vermindert ist. Fig. 5F shows a schematic representation of the composition of a sixth embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention in the longitudinal axis. This embodiment has the same zone sizes and the same gadolinia distribution as the embodiment of Fig. 5D. However, this embodiment differs in that the enrichment in the control zone 65 for the cold off state is considerably reduced relative to the enrichment outside of this control zone.

Die Fig. 6F, die die Längszusammensetzung der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstoffstäbe zeigt, läßt erkennen, daß diese Anreicherungsverminderung durch Anordnung von natürlichem Uran in den an Gadoliniumoxid angereicherten Abschnitten der G1-, G2-, G3- und G4-Brennstoffstäbe geschaffen werden kann. Die Verminderung der Anreicherung ist nicht gleichmäßig, sondern in einer Weise abgestuft, in der die Gadoliniumoxid-Konzentration abgestuft ist. Fig. 6F, which shows the longitudinal composition of the fuel rods containing gadolinia, shows that this depletion of enrichment can be achieved by placing natural uranium in the gadolinium-enriched sections of the G1, G2, G3 and G4 fuel rods. The reduction in enrichment is not uniform, but is graded in a way that the gadolinium oxide concentration is graded.

Die Fig. 5G gibt eine schematische Darstellung der Longitudinalzusammensetzung einer siebten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach der Fig. 5F nur darin, daß die Länge der heißen Betriebssteuerzone 62 etwas größer ist. Dieser Unterschied wird durch entsprechende Rekonfiguration der G4-Stäbe erreicht, wie in der Fig. 6G ersichtlich ist. Fig. 5G is a schematic representation of the Longitudinalzusammensetzung a seventh embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention. This embodiment differs from the embodiment according to FIG. 5F only in that the length of the hot operating control zone 62 is somewhat longer. This difference is achieved by corresponding reconfiguration of the G4 rods, as can be seen in FIG. 6G.

Während die oben beschriebenen Ausführungsformen charakterisiert sind durch eine Gadoliniumoxid-Verteilung mit einer erhöhten Konzentration in der heißen Betriebssteuerzone 62, um ein erwünschtes axiales Leistungsprofil zu erhalten, ist es doch nicht notwendig, daß die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Steuerung im kalten abgeschalteten Zustand mit dem Bilden des axialen Leistungsprofils gekoppelt ist.While the above described embodiments are characterized by a gadolinia distribution with an increased concentration in the hot operating control zone 62 to obtain a desired axial performance profile, it is not necessary that the control provided by the present invention be in the cold off state with the Forming the axial power profile is coupled.

Die Fig. 5H zeigt eine schematische Darstellung der longitudinalen Zusammensetzung einer achten Ausführungsform eines Kernbrennstoffbündels gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorbeschriebenen sieben Ausführungsformen dadurch, daß die Gadoliniumoxid-Verteilung mit Ausnahme einer erhöhten Konzentration in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand gleichmäßig ist. Diese Steuerzone 65 erstreckt sich von etwa 260 bis etwa 315 cm oder 68 bis 84% der Höhe des Brennstoffes. FIG. 5H shows a schematic representation of the longitudinal composition of an eighth embodiment of a nuclear fuel bundle according to the present invention. This embodiment differs from the previously described seven embodiments in that the gadolinium oxide distribution is uniform except for an increased concentration in the control zone 65 for the cold off state. This control zone 65 extends from about 260 to about 315 cm or 68 to 84% of the height of the fuel.

Der Fig. 6H, die die longitudinale Zusammensetzung der Gadoliniumoxid enthaltenden Kernbrennstoffstäbe zeigt, kann entnommen werden, daß die G1- und G4-Brennstoffstäbe eine gleichmäßige Gadoliniumoxid- Verteilung aufweisen, während die verstärkte Gadoliniumoxid- Konzentration in der Zone 65 durch die G2- und G3-Brennstoffstäbe geliefert wird. FIG. 6H, showing the longitudinal composition of the gadolinia-containing nuclear fuel rods can be seen that the G1 and G4 fuel rods have a uniform gadolinia distribution, while the reinforced gadolinia concentration in the zone 65 through the G2 and G3 - fuel rods is supplied.

Diese achte Ausführungsform unterscheidet sich von den Ausführungsformen der Fig. 5C und 6C nur in der Weise, in der die G4- Brennstoffstäbe konfiguriert sind.This eighth embodiment differs from the embodiments of FIGS. 5C and 6C only in the manner in which the G4 fuel rods are configured.

Es ist ersichtlich, daß die Auswirkung der verstärkten Gadoliniumoxid- Konzentration in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand, die sich über einen Bereich von 68 bis 88% der Höhe des Brennstoffes des Brennstoffbündels erstreckt, sich für die verschiedenen Ausführungsformen unterscheidet und daß sich diese Auswirkung auch in Abhängigkeit von der Betriebsgeschichte des Reaktors unterscheidet.It can be seen that the effect of the increased gadolinia concentration in the cold shutdown control zone 65 , which ranges from 68 to 88% of the fuel bundle level, differs for the different embodiments and differs Impact also differs depending on the operating history of the reactor.

Fig. 7A zeigt im Rahmen einer graphischen Darstellung eine Kurve 85 der relativen Leistung als Funktion der axialen Position für einen Reaktor mit einem Kern, der Kernbrennstoffbündel der in den Fig. 5A und 6A gezeigten Art aufweist und der zu Beginn des Zyklus (im Englischen abgekürzt "BOC") mit allen Steuerstäben außerhalb des Kernes betrieben wird. Die Kurve ist auf die durchschnittliche Einheitsleistung normalisiert. FIG. 7A is a graphical plot 85 of relative power versus axial position for a reactor with a core that has nuclear fuel bundles of the type shown in FIGS. 5A and 6A and which is abbreviated at the beginning of the cycle "BOC") is operated with all control rods outside the core. The curve is normalized to the average unit power.

Zu Vergleichszwecken enthält die Fig. 7A auch eine entsprechende Kurve 86, die gestrichelt gezeigt ist und die die axiale Leistungsverteilung für einen Kern wiedergibt, der durch eine gleichförmige Gadoliniumoxid-Verteilung gekennzeichnet ist. Es ist ersichtlich, daß die Konzentrierung des Gadoliniumoxids in der heißen Betriebssteuerzone die Wirkung hat, die axiale Leistungsverteilung etwas gleichmäßiger zu machen, während die Konzentrierung des Gadoliniumoxids in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand zu einer geringen Verminderung der axialen Leistung in dieser Zone führt.For comparison purposes, Fig. 7A also includes a corresponding curve 86 , shown in phantom, which represents the axial power distribution for a core, which is characterized by a uniform gadolinium oxide distribution. It can be seen that the concentration of the gadolinium oxide in the hot operating control zone has the effect of making the axial power distribution somewhat more uniform, while the concentration of the gadolinium oxide in the control zone for the cold switched off state leads to a slight reduction in the axial power in this zone.

Die Fig. 7B zeigt im Rahmen einer graphischen Darstellung eine Kurve 88 der relativen Leistung als Funktion der axialen Position für einen Reaktorkern im kalten abgeschalteten Zustand beim Beginn des Zyklus des Kernes, wobei alle Steuerstäbe bis auf einen sich im Kern befinden. Auch diese Kurve 88 ist für eine mittlere Einheitsleistung normalisiert. Die Fig. 7B zeigt außerdem eine entsprechende Kurve 89, die gestrichelt gezeichnet ist und die die Leistungsverteilung für einen Kern mit einem axial gleichmäßig verteilten Gadoliniumoxid wiedergibt. FIG. 7B shows 88 wherein all control rods are the relative power as a function of axial position for a reactor core in the cold shutdown condition at the start of the cycle of the core, except for a core in a curve in a graphical representation. This curve 88 is also normalized for an average unit power. FIG. 7B also shows a corresponding curve 89 , which is drawn in broken lines and which shows the power distribution for a core with an axially uniformly distributed gadolinium oxide.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der absolute Neutronenfluß für die Fig. 7B allgemein geringer ist als für die Fig. 7A.It should be noted that the absolute neutron flux is generally lower for FIG. 7B than for FIG. 7A.

Die Wirkung der Gadoliniumoxid-Konzentrierung in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand manifestiert sich selbst als dramatische Abnahme des Neutronenflusses und der Leistung in der Steuerzone 65 für den kalten abgeschalteten Zustand. The effect of gadolinium oxide concentration in the cold shutdown control zone manifests itself as a dramatic decrease in neutron flux and power in the cold shutdown control zone 65 .

Die Auswahl der jeweiligen Ausführungsform des Kernbrennstoffbündels hängt von den jeweiligen Erfordernissen ab, die den Betrieb der Kernreaktoranlage bestimmen, da die Betriebsarten die Anforderungen für den kalten abgeschalteten Zustand stark beeinflussen. Einige Betriebszustände von Kernreaktoren benötigen einen hohen Kapazitätsfaktor und müssen gleichzeitig eine starre Zeittafel einhalten, die ein frühes Abschalten mit Überschußreaktivität erfordern. Solche Zeitbeschränkungen können z. B. durch Vorschriften erzwungen sein, die bestimmte Inspektionsintervalle vorschreiben oder durch saisonmäßige Verfügbarkeit anderer Leistungsquellen, wie hydroelektrischer Quellen. In einem solchen Fall, in dem die am meisten begrenzende Situation die gegen Beginn des Zyklus ist, wird eine ausreichende Steuerung zum Erreichen des kalten abgeschalteten Zustandes dadurch bereitgestellt, daß man eine längere Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand schafft oder indem man ein größere Zahl Gadoliniumoxid enthaltender Brennstoffstäbe bereitstellt. Eine Verminderung der Urananreicherung in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand ist unter diesen Umständen eine angemessene Technik. Es ist zu bemerken, daß eine Verminderung der Anreicherung eine allgemein gleichmäßige Wirkung während des ganzen Zyklus hat, während der Gadoliniumoxid-Wert während des Zyklus variiert. Andererseits wirken sich manche Einsatzzwecke über einen langen Zyklus hinweg aus. Diese Betriebsweise kann in einer Situation diktiert sein, bei der die Kosten einer alternativen Leistung immer hoch sind, so daß die Ersatzleistungskosten die Brennstoffzykluskosten dominieren. In einem solchen Fall ist es geeignet, die Konzentration des Gadoliniumoxids in der Steuerzone für den kalten abgeschalteten Zustand zu erhöhen, um einen ausreichenden Gadoliniumoxid-Wert im mittleren Teil und gegen Ende des Zyklus aufrechtzuerhalten.The selection of the respective embodiment of the nuclear fuel bundle depends on the particular requirements that the operation of the nuclear reactor plant determine because the operating modes the requirements for the cold switched off state. Some Operating states of nuclear reactors require a high capacity factor and at the same time have to adhere to a rigid schedule, that require early shutdown with excess reactivity. Such time restrictions can e.g. B. enforced by regulations be that stipulate certain inspection intervals or by seasonal availability of other power sources, such as hydroelectric Sources. In such a case where the most limiting The situation at the beginning of the cycle will be sufficient Control for reaching the cold switched off state provided by having a longer tax zone for the cold shutdown condition or by making a bigger one Provides a number of fuel rods containing gadolinium oxide. A Reduction of uranium enrichment in the control zone for the cold shutdown condition is appropriate under these circumstances Technology. It should be noted that there is a decrease in enrichment has a generally uniform effect throughout the cycle, while the gadolinia varies during the cycle. On the other hand some uses have an effect over a long cycle away from. This mode of operation can be dictated in a situation be where the cost of an alternative service is always high are, so the replacement cost is the fuel cycle cost dominate. In such a case, the concentration is suitable of gadolinium oxide in the control zone for the cold switched off Condition to increase adequate gadolinia in the middle part and towards the end of the cycle.

Claims

1. Nuclear fuel bundle for a boiling water reactor core with

a) a component made of fissile material, which is distributed over at least most of the length of the bundle, and
b) a component made of burnable neutron absorbing material, e.g. B. gadolinium oxide,

characterized in that

c) the axial distribution of the component of neutron-absorbing material over the cross-section of the bundle is characterized by an accumulation in an axial zone ( 65 ), which varies from 68 to 88% of the amount of the fissile material in the nuclear fuel bundle, measured from the bottom thereof, extends.

2. Nuclear fuel bundle according to claim 1, characterized in that

d) the concentration of the neutron-absorbing material in the axial zone ( 65 ) is at least partially created by a relatively increased absorber concentration in a defined number of transversely distributed areas which contain combustible absorbers.

3. Nuclear fuel bundle according to claim 1, characterized in that

e) the fissile material component is distributed axially in a generally homogeneous manner.

4. Nuclear fuel bundle according to claim 1, characterized in that

f) in the axial zone ( 65 ) the component made of fissile material is less enriched than in the neighboring zones.

5. Nuclear fuel bundle according to claim 1, characterized in that the axial zone ( 65 ) has an axial extent of 68 to 84% of the height of the fissile material in the nuclear fuel bundle, measured from the bottom thereof.

6. Nuclear fuel bundle according to claim 1, characterized in that the axial zone ( 65 ) has an axial extent of 72 to 88% of the height of the fissile material in the nuclear fuel bundle, measured from the bottom thereof.

7. Nuclear fuel bundle according to claim 1, characterized in that the axial zone ( 65 ) has an axial extent of 76 to 84% of the height of the fissile material in the nuclear fuel bundle, measured from the bottom thereof.