DE3314025A1

DE3314025A1 - Brutzone mit reduzierten temperaturgradienten in fluessigkeitsgekuehlten schnellen brutreaktoren

Info

Publication number: DE3314025A1
Application number: DE19833314025
Authority: DE
Inventors: Mario D. Greensburg Pa. Carelli
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-04-23
Filing date: 1983-04-18
Publication date: 1983-10-27
Also published as: FR2525800A1; GB8310974D0; FR2525800B1; GB2119158A; JPS58213287A; GB2119158B; JPH0312715B2

Description

Brutzone mit reduzierten Temperaturgradienten in flüssigkeitsgekühlten schnellen Brutreaktoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Temperaturgradienten in flüssigkeitsgekühlten schnellen Brutreaktoren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei flüssigkeitsgekühlten schnellen Brutreaktoren (abgekürzt LMFBR nach der englischen Bezeichnung Liquid Metal Fast Breeder Reactor) und insbesondere solchen mit einem heterogenen Reaktorkern tritt ein im weiteren näher erläutertes Konstruktionsproblem auf, das Temperaturgradienten im Kühlmittel betrifft und als thermische Schichtung (englisch "thermal striping") bezeichnet werden kann. Die Ursache für dieses Problem liegt im natürlichen Unterschied der Leistungserzeugung in Brenn- bzw. Brutelementen innerhalb einesheterogenen Reaktorkerns eines schnellen Brutreaktors. In einem heterogenen Reaktorkern ist eine Vielzahl von Brenn- und Brutzonen über den ganzen Kern verteilt, so daß eine große Zahl von Schnittstellen (oder Grenzflächen) zwischen Brennelementen und Brutelementen auftritt. Die in einem mit Brutmaterial bestückten Brutelement erzeugte Leistung steigt laufend mit dem Brüten des spaltbaren Brennmaterials an, während die in einem Brennelement mit spaltbarem Material erzeugte Leistung während des Abbrennens laufend abnimmt. Die Leistungsabgabe eines Brutelements steigt während seiner Lebensdauer um einen Faktor von 2 bis 5, bevor es die Konstruktionsgrenzen erreicht und aus dem Reaktor entfernt werden muß. Der Kühlmittelfluß durch ein Brutelement wird durch eine unveränderliche Einlaßöffnung (oder Drossel) bestimmt, deren Größe durch die Grenzen festgelegt wird, die am Ende der Lebensdauer vorliegen

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liegen. Ein Brutelement wird also während des größten Teils seiner Lebensdauer zu stark gekühlt; die Lebensdauer beträgt für innen liegende Brutelemente in einem heterogenen Reaktorkern größenordnungsmäßig 2 bis 3 Jahre (und hat damit denselben Wert wie die Lebensdauer der Brennelemente). Die zu starke Kühlung ist bei am Rande liegenden Brutelementen noch stärker ausgeprägt, da diese eine größere Lebensdauer (4 bis 5 Jahre) aufweisen und innerhalb des Elements höhere Leistungsgradienten besitzen. Der Kühlmitteldurchsatζ wird also durch den Brennstab mit der maximalen Leistung bestimmt/ die bis zu fünfmal höher sein kann als im Brennstab mit der minimalen Leistung.

Die zu starke Kühlung der Brutelemente kann dazu führen, daß zu Beginn ihrer Lebensdauer das aus dem Brutelement austretende Kühlmittel bis zu 177°C (35O°F) kühler sein kann als von einem benachbarten Brennelement. Könnte diese maximal mögliche Temperaturdifferenz vollständig durch Mischung, Leitung und Mitführung des Kühlmittels ausgeglichen werden, gäbe es kein Problem der thermischen Schichtung. Strömungsmessungen an Reaktormodellen haben jedoch ergeben, daß große Unterschiede in den Austrittstemperaturen an den Elementen zu heißen und kalten Kühlmittelströmen führen, die auf die umgebenden Strukturen auftreffen. Temperaturunterschiede von 30 bis 60 Prozent des maximal möglichen Wertes wurden in Strömungsbildern beobachtet, die von den Austrittsdüsen entfernt im oberen Bereich des Reaktorkerns untersucht wurden; bis zu 60 und 80 Prozent des maximal möglichen Wertes wurde in der Nähe der Austrittsdüsen der Elemente beobachtet. Wenn die heißen und kalten Strömungen auf benachbarte Strukturen auftreffen, werden dort thermische Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung erzeugt. Wenn die Spannungen

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die Ermüdungsfestigkeit des Materials übersteigen, können Risse auftreten,und bei genügend starken Spannungen können sich diese Risse fortpflanzen. Dieses Problem wird als thermische Schichtung bezeichnet. Für rostfreien Stahl der Type 316 liegen die Grenzen der maximalen Temperaturunterschiede in der Flüssigkeit bei 27 bis 49°C (80-12O°F) für dauernd eingebaute Strukturen und bei 49 bis 71⁰C (120-160°F) für austauschbare Strukturen. Große Temperaturunterschiede in der Größenordnung von 177°C (350 F) überschreiten also diese Grenzen, selbst wenn ein partieller Ausgleich durch Mischung und Wärmeleitung erfolgt. Die Stahltype Inconel 718 kann zur Lösung dieses Problems verwendet werden, da deren Grenzwerte ungefähr doppelt so hoch liegen wie die für rostfreien Stahl der Type 316, doch sind die Kosten dieses Materials höher. Probleme mit der thermischen Schichtung sind besonders schwerwiegend in heterogenen Reaktorkernen, da dort eine große Zahl von Grenzflächen zwischen Brutelementen und Brennelementen auftritt und hohe Temperaturunterschiede vorkommen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem die thermische Schichtung so weit herabgesetzt wird, daß rostfreier Stahl der Type 316 für austauschbare und dauernd eingebaute Strukturen in flüssigkeitsgekühlten schnellen Brutreaktoren verwendet werden kann, deren Brenn- und Brutzonen einen heterogenen Reaktorkern ergeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Umordnung von Brutelementen bei deren regelmäßigem Austausch verringert die 5 Temperaturgradienten zwischen Brutelementen und benachbarten

Brennelementen

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Brennelementen in einem Maß, daß kein teures Inconel für den Bau von Reaktorkomponenten erforderlich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf einen Reaktorkern (Kern I) eines flüssigkeitsgekühlten schnellen Brutreaktors zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Möglichkeit/. Gradienten zu

reduzieren;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens

zur Umordnung der Brutzone; 15

Fig. 3 eine schematische Aufsicht auf den Reaktorkern I zur Darstellung der Anordnung von Strömungszonen mit verschiedener Strömungsgeschwindigkeit;

Fig. 4 eine schematische Aufsicht eines weiteren .Reaktorkerns (Kern II) eines flüssigkeitsgekühlten schnellen Brutreaktors zur Erläuterung der Folge A eines ersten alternativen Verfahrens zur Umordnung der Brutzone;

Fig. 5 eine schematische Aufsicht des Reaktorkerns II zur Erläuterung der Folge B eines ersten alternativen Verfahrens zur Umordnung der Brutzone;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des ersten alternativen Verfahrens zur Umordnung;

Fig. 7 eine schematische Aufsicht des Reaktorkerns II zur

Darstellung eines zweiten alternativen Verfahrens ,35 zur Umordnung der Brutzone; und

Fig.

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Fig. 8 eine schematische Darstellung des zweiten alternativen Verfahrens zur Umordnung.

Der Bezugs-Reaktorkern CKEF)/ an dessen Beispiel die Um-Ordnung erläutert werden soll, ist ein heterogener Oxydreaktor mit einer Brutzone aus Thorium. Dieser Reaktor enthält verteilte Nachbeschickungs-Brennelemente, die im 3-Jahresrhythmus ausgetauscht werden, innere Brutelemente mit einer dreijährigen Verweildauer (mit Ausnahme der Positionen in der 6. Reihe mit der Bezeichnung 11, 13, 14 und 16, die eine zweijährige Lebensdauer haben) und radiale Brutelemente mit einer sechsjährigen Verweildauer. Dieser Reaktorkern wurde ausgewählt, da für ihn eine sehr genaue Analyse der thermisch-hydraulischen und der Strömungsbedingungen vorlag, die als Basis für die Untersuchung herangezogen werden kann. Fig. 1, die nur einen 60 -Teil des sonst symmetrischen Reaktorkerns darstellt, enthält die Nummerbezeichnung der Elemente und die maximalen Temperaturgradienten von Element zu Element für diesen Kern und für das erfindungsgemäße Umordnungsverfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umordnung der Brutzone ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Hälfte (60) der Brutelemente in der inneren Brutzone (IB-1) werden nach einem Jahr

(N) in eine andere Position (IB-2) der inneren Brutzone verschoben, wo sie im zweiten Jahr verbleiben (Gleichgewichtsjahr N+1, wobei N das Jahr bezeichnet, in dem das Element frisch ist); ihr drittes Jahr (N+2) verbringen sie in der ersten Reihe (RB1) der radialen Brutzone und das letzte Jahr (N+3) in der zweiten Reihe (RB2) in der radialen Brutzone. Am Ende des vierten Jahres werden sie aus dem Reaktor entnommen. Die verbleibende Hälfte der inneren Brutzone führt dieselben Schritte aus, jedoch um ein Jahr verschoben. Es werden also zwei Folgen durchgeführt, die mit A und B bezeichnet sind und die zusammen die Umordnung der Brutzonenelemente darstellen. Einige wenige Elemente nehmen an der Umcrdnung nicht teil; es handelt sich dabei um das Element der inneren

Brutzone

;/..' ^: "T^..--. ^: 33H025

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Brutzone im Zentrum des Reaktorkerns und um 18 Elemente der ersten Reihe der radialen Brutzone. Da das Element im Zentrum das einzige Element dieser Art im Reaktor ist, kanrr es aus Symmetriegründen offensichtlich in keine andere Position umgeordnet werden. Dieses Element weist eine geringe Leistung und eine geringe Strömung auf und wird von anderen Brutelementen der inneren Brutzone umgeben. Es kann daher so lange an seinem Platz gelassen werden, bis die Grenzwerte erreicht sind. Der Grund, weshalb die 18 Brutelemente der radialen Brutzone an der Umordnung nicht teilnehmen, ist einfach der, daß in diesem besonderen Reaktorkern 78 Positionen in der ersten Reihe der radialen Brutzone zur Verfügung stehen, während nur 60 Brutelemente der inneren Brutzone jährlich in die erste Reihe der radiale-n Brutzone umgeordnet werden. Wenn nicht ein sehr kompliziertes Umordnungsverfahren entwickelt werden soll, besteht die einfachste Wahl darin, die Brutelemente in diesen 18 Positionen in regulären Zeitabständen zu ersetzen.

Tabelle 1 zeigt die Bewegungen der verschiedenen Brutelemente, die umgeordnet werden. Bei der Auswahl der Umordnung eines jeden Brutelements von einer Position zu einer anderen wurde sorgfältig darauf geachtet, daß die in den beiden Folgen implizit enthaltenden Ausschlußbedingungen eingehalten wurden. Beispielsweise müssen abgebende (donor) Elemente der inneren Brutzone in der Folge A aufnehmende Elemente in der Folge B sein und umgekehrt. In ähnlicher Weise müssen die Positionen der radialen Brutzone ein Element der Folge A und ein Element der Folge B aufnehmen,

30 nicht aber zwei derselben Folge.

Tabelle 1

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Tabelle

Zusammenfassung der ümordnungsbewegungen von Brutelementen

5 IB-1 -* IB-2 ■*· RB1 -» RB2 -*· entfernt

Jahr N(frisch) N+1 N+2 N+3 N

Folge A (alle Elemente, die zu dieser Folge gehören, 10 werden im selben Jahr umgeordnet)

35	39	212	217
6	13	209	222
1	16	213	221
27	34	211	220
14	41	202	216
28	32	210	214
33	26	201	215
40	31	205	223
2	11	204	219
30	25	207	218

Folge B (alle Elemente, die zu dieser Folge gehören,

werden im selben Jahr·umgeordnet, und zwar

25 in dem Jahr, das der Umordnung gemäß Folge A

vorangeht oder nachfolgt)

25	28	204	218
41	40	205	215
16	35	212	222
34	2	209	221
13	30	211	217
39	33	207	214
11	27	. 202	216
32	14	201	219
26	6	210	223
31	1	213	220

Bemerkungen: - IB #64 wird niemals umgeordnet. Es wird so 40 lange in dieser Position belassen, wie es mit

den Betriebsbedingungen vereinbart ist und dann entfernt.

RB1#2O3, 206 und 208 sind "einjährige" EIe-

45 mente, die in jedem Jahr geladen und entfernt

werden. _Die

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Die Einstellung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels (z.B. durch entsprechende Drosseln oder Querschnitte der Austrittsöffnungen) ist durch die jeweilige Position im Reaktorkern bestimmt, da alle Brutelemente physikalisch, gleich sind, um die Umordnung zu ermöglichen. Die Überlegungen, die für die Zuordnung des Strömungsflusses bestimmend waren, bestanden darin, den Fluß so verträglich wie möglich mit den Einschränkungen zu gestalten, die für die Lebensdauer der Brutelemente und den Ausgleich kurzzeitiger Störungen bestehen. Wie dieses Ziel im einzelnen erreicht wurde, hing davon ab, ob die betrachtete Stelle in der inneren Brutzone der ersten Reihe der radialen Brutzone oder der zweiten Reihe der radialen Brutzone lag. Im allgemeinen ergab sich ein guter Hinweis für die neuen Anforderungen an die Strömung durch das Verhältnis der maximalen linearen Leistungsabgabe eines Brennstabs am Ende der Verweilzeit für den umgeordneten Reaktorkern und der Leistungsabgabe am Ende der Lebensdauer im Bezugs-Reaktorkern. Eine Abschätzung der Änderung in der maximalen linearen Leistungsabgabe eines Brennstabs nach der Uinordnung wird mit Hilfe einfacher Algorithmen erhalten. Wenn das Brutelement Y in eine Position Z umgeordnet wird, hängt der Anteil der durch Neutronenspaltung erzeugten Leistung von Y ab, dem umgeordneten Element (da die Leistung von der Menge des spaltbaren Materials im Element abhängt). Der auf die Gamma-Aufheizung entfallende Anteil der Leistung hängt von der Umgebung ab, d.h. dem Ort Z, zu dem das Element umgeordnet wurde. Es wird weiter angenommen, daß die relative Leistungsänderung während einer einjährigen Verweildauer nach der Umordnung in einem gegebenen Ort gleich der relativen Änderung ist, die während eines entsprechenden Jahres in der Lebensdauer des Elements

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am Ort des Bezugs-Reaktorkerns auftritt. Der Zeitverlauf der maximalen Leistung eines Brutstabs (und in einigen Fällen des gesamten Brutelements) wurde in dieser Untersuchung für alle möglichen ümordnungskombinationen berechnet. Damit war es möglich, die optimale Umordnungsfolge für jedes Element zu bestimmen.

Bei der Berechnung der neuen Anforderungen für die Strömung an jeder Stelle nach der Umordnung wurde als Parameter die erforderliche Strömung an jedem Ort verwendet (d.h. die minimale Strömung/ die erforderlich ist, um die am meisten einschränkende Grenzbedingung zu erfüllen). Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da bei einer Strömung, die für alle Elemente in einer gegebenen Strömungszone gleich eingestellt ist (durch entsprechende Drosselung), die erforderliche Strömung nur für das schlechteste Element mit der eingestellten Strömung übereinstimmt. Alle anderen Elemente in der Strömungszone weisen eine eingestellte Strömung auf, die größer ist als die erforderliche Strömung.

Da die erforderliche Strömung nach der Umordnung gleich der erforderlichen Strömung im Bezugs-Reaktorkern ist, multipliziert mit einem Strömungsfaktor,der von der Leistung abhängig ist, (d.h. abhängig davon, welches Element in welche Stellung umgeordnet wird) ergibt sich daraus, daß der Konstrukteur einen weiteren Freiheitsgrad bei der Optimierung der Strömungseinstellung hat. Die Wahl des umzuordnenden Brutelements ist jedoch durch die Überlegung eingeschränkt, den Gradienten zu einem Minimum zu machen. Durch sorgfältige Auswahl der Umordnungsvorgänge und Berücksichtigung der Unterschiede zwischen erforderlicher und eingestellter Strömung im Bezugs-Reaktorkern war es möglich, die Einstellung der Strömung so zu optimieren, daß der Abstand

zwischen

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zwischen erforderlicher und eingestellter Strömung beträchtlich kleiner war als im Bezugs-Reaktorkern. Das führte sowohl zu Einsparungen bei der Strömung als auch zu geringeren Temperaturgradienten, da eine eingestellte Strömung/die stärker ist als die erforderliche, nicht nur Strömung "verschwendet", sondern auch zu einer geringeren Temperatur des Kühlmittels am Brutelementausgang führt.

Ein Vergleich der Strömungseinstellung in dem umgeordneten und dem Bezugs-Reaktorkern ist in Tabelle 2 wiedergegeben. Die Strömung ist in der inneren Brutzone und der ersten Reihe der radialen Brutzone beträchtlich reduziert, in der zweiten Reihe der radialen Brutzone jedoch erhöht, um die sich akkumulierenden Beschädigungen der Umhüllung der Brutstäbe in den umgeordneten Brutelementen zu berücksichtigen. Es ist anzunehmen, daß die Abschätzung der Strömung für die zweite Reihe der radialen Brutzone eher pessimistisch ist (d.h. die .Lebensdauer dieser Brutelemente kann wahrscheinlich mit einer geringeren Strömung als jetzt abgeschätzt erreicht werden). Die größte Unsicherheit besteht dabei' für die zweite Reihe, da diese die letzte der drei Umordnungsbewegungen betrifft und alle Näherungen und Annahmen, die dieser Untersuchung zugrunde liegen, sich im letzten Jahr alle zu einem Maximum addieren.. Es muß jedoch betont werden, daß die Unsicherheit in der Strömung in der zweiten Reihe der radialen Brutzonen die Schlußfolgerungen dieser Untersuchung nicht beeinträchtigt. Das liegt daran, daß die Gradienten zwischen den einzelnen Brutelementen in diesem Bereich zu keiner Besorgnis Anlaß geben, so daß die einzige Konsequenz

30 in der Anpassung der erforderlichen Strömung liegt.

Tabelle

Tabelle 2
Erforderliche Kühlmittelströmungen beim Bezugs- und beim umgeordneten Reaktorkern

Bezugs-Reaktorkern

Art des Elements	Strömungs- Elemente/ zone Zone	36	Teilsumme	18	Teilsumme	6p	Teilsumme	Strömung (kg/h)
IB	6	24	36	—	70,851
IB	7	54	24	58,785
IB	8	.7	. 51 ,119
IB	9	18,597
		6,852,147
RB1	10	62,958
RB1	11	38,646
RB1	12	26,898
		3,170,066
RB 2	13	12,473
RB 2	14	—
		748.427

umgeordneter Reaktorkern

Gesamte Strömung in der Brutzone10,770,641

Elemente/ Zone	4	Strömung (kg/h)
24		54,884
36		47,173
54		38,555
7	2	19,050
		,999,495
18		42,501
42	1	30,209
18	8	10,614
	,224,870
30	26,943
30	22,226
	,475,082
	,699,448

DO CTi OJ ISJ

-■■·■"" '* " " 33U025

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Nach Tabelle 2 ergibt sich eine beträchtliche Nettoersparnis für die berechnete Strömung in den Brutelementen (über 2,04 kg/h oder<v4,5% der gesamten Reaktorströmung). Diese- Ersparnis ist mehr als ausreichend, um alle "Überraschungen" auszugleichen, die noch auftreten können, wenn die berechnete Konstruktion in die Realität umgesetzt wird. Diese verfügbare Strömung könnte weiter dazu verwendet werden, Brennelemente bevorzugt mit Strömung zu beaufschlagen, um so die zwischen den Elementen bestehenden Gradienten sogar unter die hier abgeschätzten Beträge zu reduzieren.

Fig. 3 zeigt die neuen Zonen mit jeweils eingestellter Strömung für den umgeordneten bzw. den Bezugs-Reaktorkern.

Ein Vergleich der Verteilung maximaler Gradienten zwischen den Elementen im umgeordneten und im Bezugs-Reaktorkern wurde in Fig. 1 gegeben. Für jedes Brutelement der inneren Brutzone und der ersten Reihe der radialen Brutzone ist der maximale Gradient gleich der Differenz zwischen der Austrittstemperatur der Brutzone und der letzten Austrittstemperatur der benachbarten Brennelemente. Wie man feststellt, ist der maximale Gradient in der inneren .Brutzone von 140 C (284 F) auf 66°C (150°F) herabgesetzt und in der ersten Reihe der radialen Brutzone von 153°C (307⁰F) auf 64°C (147°F). Selbst wenn noch gewisse unvermeidliche Unsicherheiten mit den hier zugrunde gelegten Annahmen berücksichtigt werden (aber auch bedacht wird, daß eine zusätzliche Strömung existiert), kann der sichere Schluß gezogen werden, daß mit der Umordnung der Brutzone tatsächlich die Möglichkeit besteht, die zwischen den Elementen bestehenden Gradienten um die Hälfte zu reduzieren. Der höchste Gradient zwischen benachbarten Brenn- und Brutelementen tritt auf, wenn sowohl das Brenn- als auch

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das Brutelement frisch sind (Brennelement mit höchster Leistung, Brutelement mit geringster); der geringste Gradient tritt auf, wenn beide Elemente am Ende ihres Lebens angelangt sind (abgebranntes Brennelement mit minimaler Leistung, Leistung des Brutelements maximal infolge der Erzeugung von Plutonium). Daraus folgt, daß eine sehr wirksame Methode zur Erzielung geringer Gradienten zwischen den Elementen darin besteht, frische Brennelemente neben eingebrannten (umgeordneten) Brutelementen anzuordnen und umgekehrt. Dieses Vorgehen erfordert, daß die Brennelemente und die Brutelemente dieselbe Lebensdauer aufweisen, sowie ein Brennstoff-Management, das "außer Synchronisation" arbeitet. Die in dieser Untersuchung angegebenen Gradienten an den Grenzflächen zwischen Brennelementen und Brutelementen der inneren Brutzone beruhen auf dieser Neu/Alt-Konfiguration (d.h. die Gradienten wurden für frische Brennelemente/umgeordnete Brutelemente und ausgebrannte Brennelemente/frische Brutelemente berechnet). Der höhere der beiden Gradienten (im allgemeinen der erstgenannte) ist durchgehend in Fig. 1 angegeben. Wie schon früher festgestellt wurde, sind bei der hier vorgeschlagenen jährlichen Umordnung der Hälfte der Brutelemente der inneren Brutzone die frischen Brutelemente in jedem Jahr auf diejenigen beschränkt, die die umgeordneten Elemente ersetzen, d.h. die Hälfte der inneren Brutzone. Die Positionen der frischen Brutelemente der inneren Brutzone wechseln jedes zweite Jahr ab. Die Strömung kann in den frischen Brutelementen nicht reduziert werden, da die Einstellung der Strömung durch die Kühlanforderungen des Brutelements bestimmt ist, das im zweiten Jahr umgeordnet wird. Die Lösung für den hohen Gradienten,der sich zwischen benachbarten Brenn- und Brutelementen ausbildet, wenn beide

frisch

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frisch sind, ergibt sich durch geeignetes Brennstoff-Management. Da die Austrittstemperatur der Brennelemente beim Beginn ihres Lebens ein Maximum aufweist und am Ende ihres Lebens zu einem Minimum wird, während die Verhältnisse bei den Brutelementen gerade umgekehrt liegen, ist es klar, daß eine beträchtliche Reduzierung des Gradienten zwischen den Elementen erreicht wird, wenn ein frisches Brennelement neben ein umgeordnetes Brutelement angeordnet wird (beide weisen dann höhere Temperaturen auf), und wenn ein ausgebranntes Brennelement neben ein frisches Brutelement gebracht wird (dann haben beide ihre geringere Temperatur). Um dieses zu erzielen, müssen Brenn- und Brutelement beide dieselbe Lebensdauer haben (zwei Jahre in diesem Beispiel), und die Konfiguration des Reaktorkerns muß so sein, daß die Verweilzeiten von Brennelementen und Brutelementen nicht synchron sind. Das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Verfahren, bei dem in jedem Jahr die Hälfte der inneren Brutzone umgeordnet wird, erfordert, daß ebenfalls die Hälfte der Brennelemente jedes Jahr gela-

20 den wird.

Es kann sich als nicht wünschenswert herausstellen, die "nicht synchronisierte" Beladung der Brenn- und Brutelemente genau durchzuführen, da .dadurch der innere Teil des Reaktorkerns entkoppelt wird (im kernphysikalischen Sinn) mit der Folge, daß in den Brennelementen im frischen Zustand eine übermäßige lineare Leistungsabgabe erfolgt. Es kann jedoch ein erstes alternatives Management-Verfahren für die Brutelemente angegeben werden, in dem die Grenzen der Leistungsabgabe der Brennelemente nicht überschritten werden und die Anzahl der Grenζflächen,an denen die "nicht synchrone" Anordnung versagt, nur auf einige wenige Positionen

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tionen beschränkt ist. Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen ein derartiges Schema für eine gerade untersuchte Konfiguration eines vorgeschlagenen Reaktorkerns (der verschieden ist von dem in der früheren Untersuchung betrachteten). Aus den Figuren 4 und 5 geht hervor, daß die Grenzflächen (Schnittstellen), die nicht der "nicht synchronen" Bedingung unterliegen, nur 12 von einer möglichen Gesamtzahl von 65 sind. Die Gradienten an diesen Stellen können dadurch gesteuert werden, daß ein Teil der zur Verfügung stehenden zusätzlichen Strömung auf die betreffenden Brennelemente geleitet wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß zur Erzielung der "nicht synchronen" Anordnung die Brutelemente der inneren Brutzone in die dritte Reihe der radialen Brutzone gebracht werden und anschließend im dritten Jahr in die umgeordnete Position in der inneren Brutzone (siehe Tabelle 3). Dieses "Packen in der dritten Reihe" hat die Wirkung, daß die Ladefolgen bei den Brennelementen und den Brutelementen der inneren Brutzone um ein Jahr verschoben wird und sich so der

20 "nicht synchrone" Effekt ergibt.

Ein zweites alternatives Umordnungsverfahren wird vorgeschlagen (siehe Figuren 7 und 8), in dem das "nicht synchrone" Konzept dadurch ersetzt wird, daß die Strömung in allen Brutelementen der inneren Brutzone maximal reduziert wird. Im ersten alternativen Verfahren nimmt jede Position der inneren Brutzone entweder ein frisches oder ein umgeordnetes Element auf (Folgen "A" und "B"); zu Beginn des Jahres, wenn das Element frisch ist, ist damit auch die Ausgangstemperatur des Elements ein Minimum, da es die geringste Leistung abgibt, die Strömung aber so eingestellt ist, daß auch die (maximale) Leistungsabgabe am Ende des zweiten Jahres im umgeordneten

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neten Element verarbeitet werden kann. Der Gradient bei diesem Verfahren wird natürlich durch das "nicht synchrone" Konzept gesteuert.

In dem Verfahren der zweiten Alternative wird der Gradient dagegen durch, entsprechende Strömungseinstellung in den Brutelementen der inneren Brutzone gesteuert. Jede Position der inneren Brutzone empfängt jedes Jahr (dem Intervall für die Nachbeschickung mit neuen Brennelementen) entweder ein frisches oder ein umgeordnetes Element; der Leistungsunterschied zwischen Beginn und Ende des Lebens eines Elements in irgendeiner Position ist somit auf ein Jahr beschränkt, statt zwei Jahre in dem Verfahren der ersten Alternative. Die einzustellende Strömung kann dann beträchtlich kleiner sein als im vorherigen Fallund hängt davon ab, ob die Position frische .oder umgeordnete Elemente aufnimmt. Fig. 7 zeigt die Anordnung der Brutelemente der inneren Zone bei diesem Verfahren. Nach dem zweiten Jahr werden die Elemente nacheinander in die erste, zweite und dritte Reihe der radialen Brutzone umgeordnet, wo sie in jeder Position ein Jahr lang bleiben und insgesamt eine Lebensdauer von fünf Jahren aufweisen. Das charakteristische Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, daß frische und umgeordnete Brutelemente der inneren Brutzone wie "Perlen einer HaIs-kette" abwechseln, wie es in Fig. 7 dargestellt ist; das Beladen mit Brennelementen kann getrennt davon optimiert werden, um die lineare Leistungsabgabe zu einem Minimum zu machen und damit die "Sicherheitsgrenze bis zum Schmelzen des Brennstoffs zu erhöhen.

Die Tabellen 3 und 4 illustrieren die Umordnungsverfahren der ersten und der zweiten Alternative.

Tabelle 3

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10

Tabelle 3

UMORDNUNGSFOLGE - ERSTE ALTERNATIVE

Folge A - beginnt in den Jahren 2,4,6...

Jahre 2,4,6. .	Jahre 3,5,7..	Jahre 4,6,8. .	Jahre 5,7,9..	Jahre 6,8,10
IB Frisch.	RB3	IB	RB1	RB 2
3	211	36	202	228
4	224	39	204	227
17	229	15	207	212
22	333	13	214	221
18	330	45	208	226
34	331	10	209	225
32	332	47	213	222
33	223	56	206	210
35	334	48	215	220

Folge B - beginnt in den Jahren 1,3,5...

20

30

Jahre	Jahre	Jahre	Jahre	.Jahre
1,3,5..	2,4,6..	3,5,7..	4,6,8. .	5,7,9..
IB Frisch	RB 3	IB	RB1	RB2
10	211	32	202	228
47	333	33	214	226
13	334	22	208	227
15	229	18	215	221
45	330	4	204	220
56	224	34	207	212
48	331	35	209	225
36	332	17	213	222
39	223	3	206	210

RBI 205 bleibt 2 Jahre - umgeordnet zu RB2 203 für 2 weitere Jahre, dann entfernt

RBI 216 RBI 217

RB2 213 RB2 218

-··■»' ■··■ ■·"-■ 33U025

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■ Tabelle 4

ZWEITE ALTERNATIVE -ÜMORDNUNGSFOLGEN FÜR STRÖMUNGS-MANAGEMENT

IB Positionen jedes Jahr mit neuem Brennstoff gefüllt: 2,3,15,13,17,56,36,34,32,48

U.nordnungs-Folge

	2. Jahr	3.Jahr	4.Jahr	•	224(RB3)	5.Jahr
13 Frisch	IB	RB1	RB2	225	RB 3
2	45	216	220	228	211
3	35	202	212	223
15	47	208	203	229
13	22	207	226	334
17	10	214	222	331
56	39	215	221	333
xx 3 6.	4	213
»■ 34	201(RB1	) 210(RB2)
32	18	209	332
48	33	204	330

κ kürzere Folge (4 Jahre) IB wird direkt nach RB1 umgeordnet set nur dreijährige Folge, von 213 entfernt

χ·5ίχ RB1 205 bleibt 2 Jahre - nach RB2 umgeordnet 227 weitere 20 2 Jahre dann entfernt

206 " 218 "

217 " 219 "

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

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Verfahren zur Reduzierung der Temperaturgradienten zwischen Brennelementen mit .spaltbarem Material und Brennelementen mit Brutmaterial in einem flüssigmetallgekühlten Brutreaktor, in dessen Kern Brutelemente so verteilt sind, daß sich eine innere Brutzone und eine radiale Brutzone an der Peripherie des Reaktorkerns ergibt und die radiale Brutzone eine innere und eine äußere Reihe von Brutelementen aufweist, dadurch gekennzeichnet,

daß ungefähr die Hälfte der Brutelemente (z.B. 35, 39) der inneren Brutzone nach jedem Nachbeschickungs-Intervall mit Kernbrennstoff durch frische Brutelemente ersetzt wird, so daß die meisten der Brutelemente zu einer von zwei Gruppen gehören, die bei abwechselnden Nachbe-

schickungs-

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Intervallen durch neue Brutelemente ersetzt werden, daß gleichzeitig die von frischen Elementen ersetzten Brutelemente der ersten Gruppe (z.B. 35) in Positionen (z.B. 39) der inneren Brutzone umgeordnet werden, die vorher von der zweiten Gruppe besetzt waren, daß die von der ersten Gruppe verdrängten Brutelemente der zweiten Gruppe auf Positionen (z.B. 212) der inneren Reihe der radialen Brutzone umgeordnet werden, daß die von den Brutelementen der zweiten Gruppe verdrängten Brutelemente der inneren Reihe der radialen Brutzone auf Positionen (z.B. 217) der äußeren Reihe der radialen Brutzone umgeordnet werden, und daß die aus der äußeren Reihe der radialen Brutzone verdrängten Brutelemente aus dem Reaktor entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Brennelementen an Positionen der Brutzone, die normalerweise eine niedere Temperatur bezüglich benachbarter Brennelemente aufweisen, relativ kleine Öffnungen für die Kühlmittelströmung besitzen, um diese in den betreffenden Elementen zu ■ verringern.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ²S daß eine Vielzahl von Brennelementen so angeordnet ist, daß teilweise ausgebrannte Brennelemente benachbart zu frischen Brutelementen liegen und frische Brennelemente benachbart zu bestrahlten Brutelementen.
4, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine geringe Anzahl von Brutelementen im Innern des Reaktorkerns an diesem Umordnungsverfahren nicht teilnimmt, sondern synchron mit benachbarten Brennelementen ersetzt wird, um den Reaktorkern im kernphysikalischen Sinn zu koppeln, und daß diese Brutelemente mit einem zusätzlichen Kühlmittelstrom

beaufschlagt werden. _c „ _

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die nicht am Umordnungsverfahren teilnehmenden
Brutelemente (z.B. 3) nach einem Nachbeschickungs-
-Intervall in der inneren Brutzone für ein Nachbeschickungsintervall in die äußere Reihe (z.B. Position 211) der radialen Brutzone gebracht werden,
daß diese Brutelemente anschließend für ein Nachbeschickungs-Intervall in umgeordnete Positionen (z.B.
36) der inneren Brutzone gebracht werden, die Grenz-

flächen mit relativ frischen Brennelementen aufweisen, so daß diese Grenzflächen synchronisiert sind, daß die umgeordneten Positionen einen zusätzlichen Kühlmittelstrom erhalten, und daß diese Brutelemente anschließend für ein Nachbeschickungs-Intervall in Positionen (z.B.

202) des inneren Teils der radialen Brutzone gebracht

werden, anschließend für ein Nachbeschickungs-Intervall in weitere Positionen (z.B. 228) der radialen Brutzone und anschließend aus dem Reaktor entfernt werden.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der inneren Brutelemente alternativ für.frische oder eingebrannte
Elemente ausgelegt sind, wobei die. Festlegung einmal für eine Position erfolgt und dann konstant bleibt, so daß die Zuordnung von Strömungen zu Positionen der inneren Brutzone den jeweiligen Anforderungen entsprechend erfolgen kann.