DE3532797A1

DE3532797A1 - Verfahren zum betreiben eines kernreaktors

Info

Publication number: DE3532797A1
Application number: DE19853532797
Authority: DE
Inventors: Claus Dipl Ing Goetzmann; Peter Dipl Ing Rau
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1985-09-13
Publication date: 1987-03-26
Also published as: CH671850A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wassergekühlten Kernreaktors, insbesondere eines Siede wasserreaktors, mit einem aus Brennstäben zusammenge setzten Reaktorkern, wobei die Brennstäbe in einen regel mäßigen Stabgitter parallel zueinander angeordnet sind.

Wie in dem Aufsatz "Ein nukleares Nahwärmesystem" in der Zeitschrift "Atomkernenergie/Kerntechnik", 1985, Heft 2, Seiten 110 bis 112 angegeben ist, bemüht man sich bei bestimmten Kernreaktoren, die für die Wärmeerzeugung ein gesetzt werden sollen, eine lange Lebensdauer des Reak torkerns zu erreichen. Zu diesem Zweck ist gemäß dem genannten Aufsatz eine besonders hohe Anfangsanreiche rung von 4 bis 8% U-235 und eine Gadoliniumvergiftung vorgesehen. Mit der Gadoliniumvergiftung wird erreicht, daß trotz der hohen Anreicherung die anfängliche Reak torleistung nicht den gewünschten Wert überschreitet.

Die Erfindung geht demgegenüber von der Aufgabe aus, eine lange Lebensdauer des Reaktorkerns für solche Kern reaktoren zu erreichen, ohne daß in großem Umfang ab brennbare Gifte wie Gadolinium benutzt werden müssen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Zahl der paral lelen Brennstäbe während der Lebensdauer des Kerns durch Herausnehmen von Brennstäben aus Positionen des Stab gittters verringert wird und daß die herausgenommen Stäbe in einer zweiten, in axialer Richtung versetzten Ebene an Positionen des Stabgitters angeordnet werden.

Bei der Erfindung wird der Reaktorkern in der Anfangs zeit des Betriebes untermoderiert betrieben, gegen Ende des Betriebes dagegen übermoderiert. Damit wird ohne die Verwendung von abbrennbaren Giften die gewünschte Begren zung der Reaktorleistung am Anfang und eine immer hohe Leistungsausbeute am Ende des Reaktorbetriebes erreicht.

Die Erfindung wird vorteilhaft so ausgeführt, so daß die mit Brennstäben besetzte Querschnittsfläche des Reaktor kerns während der Lebensdauer des Reaktorkerns beibehal ten wird. Damit ist gemeint, daß eine die Stäbe am Rand des Reaktorkerns umfassende Einschlußlinie während der Lebensdauer des Reaktorkerns unverändert bleibt. Damit kann auch die Kühlwasserführung durch den Reaktorkern unverändert bleiben. Verändert wird nur die Stabdichte in diesem Querschnitt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den die Hälfte der ursprünglichen einer Ebene sitzende Brennstäbe für eine spätere Betriebsperiode in die zwei te Ebene umgesetzt. Damit wird das Kernvolumen auf die doppelte Höhe gestreckt und die Stabdichte entsprechend halbiert.

Die Brennstäbe der zweiten Ebene können an Positionen gesetzt werden, an denen in der ersten Ebene Brennstäbe sitzen. Dies ergibt einen vorteilhaft geringen hydrau lischen Widerstand für das den Reaktorkern durchströmen de Kühlwasser. Man kann aber auch eine alternierende Anordnung in den beiden Ebenen wählen, um eine vollstän dige Durchmischung des den Reaktorkern durchströmenden Kühlwassers und damit eine besonders gleichmäßige Auf wärmung zu erreichen.

Die Brennstäbe können auch vorteilhaft in mehreren Stufen nacheinander umgesetzt werden. Dies wird im folgenden bei der Beschreibung eines Ausführungsbei beispiels noch näher erläutert, das anhand der beilie genden Zeichnung beschrieben wird. Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Reaktorkern in der Draufsicht,

Fig. 2 bis 7 in jeweils einer Draufsicht und einer Seitenansicht drei Stufen unterschiedlicher Brennstabdichten,

Fig. 8 eine Kupplung von zwei übereinanderliegenden Brennstäben,

Fig. 9 die Zusammenfassung mehrere Brennstäbe mit einem Skelett,

Fig. 10 ein Distanzestück für Brennstäbe in einem Längs schnitt und

Fig. 11 eine Draufsicht auf das Distanzstück.

Der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt aus einem Reaktor kern 1 zeigt, daß die Brennstäbe 2, die den Reaktorkern bilden und in einer Aufsicht angedeutet sind, zu im Querschnitt quadratischen Brennelementen 3 gruppiert sind. Beim Ausführungsbeispiel sind 169 Brennstäbe 2 in einem rechtwinkligen Stabgitter vorgesehen. Die Grenzen der Brennelemente 3 werden von Blechen 5 gebildet, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Bleche 5 bilden Spalten 6, in denen die Absorberbleche 7 von kreuzförmi gen Steuerstäben 8 verschiebbar angeordnet sind. Zum Bewegen der Steuerstäbe dienen Antriebsteile, insbeson dere Hydraulikantriebe, die in der Figur bei 10 verein facht angedeutet sind. Dort sind die Ecken der Brenn elemente 3 abgeflacht.

In Fig. 2 ist für ein gestrichelt umrandetes Brennele ment 3 dargestellt, daß alle Brennelementpositionen mit Brennstäben 2 besetzt sind. Die Fig. 3 zeigt dazu, daß die Brennstäbe 2 alle in einer Ebene parallel zueinander liegen. Der Reaktorkern 1 hat deshalb die Höhe H ₁.

Die Brennstäbe 2 enthalten oxidische Uranbrennstoffe mit einer Anreicherung von zum Beispiel 5% an Uran 235. Der Stabdurchmesser beträgt zum Beispiel 17 mm. Der Abstand der Positionen des Stabgitters beträgt 19 mm. Deshalb ist der Reaktorkern 1 bei der aus den Fig. 2 und 3 ersichtli chen Anordnung mit dem zur Kühlung verwendeten leichten Wasser untermoderiert.

Nach einer bestimmten Betriebszeit, zum Beispiel nach zwei oder drei Jahren oder auch länger (z.B. 10-15- 20 Jahre), in der die Brennelemente einen Abbrand von 20.000 Mwd/t erreicht haben, wird das Moderationsver hältnis durch eine Änderung der Stabanordnung in Rich tung einer besseren Moderierung geändert. Die Fig. 4 zeigt, daß ein Brennelement dann statt 169 nur noch 136 Brennstäbe aufweist, weil von je 9 Brennstäben einer aus der unteren Ebene entfernt ist. Die entfernten Brenn stäbe sind in der Fig. 5 mit 2′ bezeichnet. Sie sitzen in einer axial versetzten, nämlich darüberliegenden Ebene 10, so daß der Kern jetzt die Höhe H ₂ hat. Beim Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Stäbe 2′ an den Positionen des Stabgitters sitzen, aus denen sie in der ersten unteren Ebene entfernt worden sind.

Nach dem weiteren Betrieb mit dem nach den Fig. 4 und 5 variierten Reaktorkern 1, der zum Beispiel wieder über zwei oder drei Jahre gehen kann und einen Gesamtabbrand von 40.000 Mwd/t ergibt, wird das Moderationsverhältnis nunmehr entsprechend den Fig. 6 und 7 geändert. Dies führt zu einer Übermoderierung. In dem Brennelement 3 ist nunmehr jeder zweite Brennstab 2 aus der unteren in die obere Ebene 10 versetzt. In beiden Ebenen sitzen je weils 84 Brennstäbe übereinander. Die Höhe des Reaktor kerns beträgt wiederum H ₂. Dabei wird auch die mit Brenn stäben besetzte Querschnittsfläche des Reaktorkerns 1 beibehalten, weil schon für jedes der Brennelemente 3 der Brennelementquerschnitt vollständig, wenn auch mit Lücken in den Reihen besetzt ist. Mit dieser Stabanord nung erreicht der Reaktorkern 1 dann den Endabstand von 60.000 Mwd/t.

In Fig. 8 ist zu sehen, daß die Brennstäbe 2 der unteren Ebene und 2′ der oberen Ebene miteinander verbunden sind. Zu diesem Zweck besitzen sie Endstücke 14 und 15, die nach Art eines Bajonettverschlußes ineinander greifen. Das End stück 14 besitzt dazu einen über eine zylindrische Bohrung 16 greifenden hakenförmigen Vorsprung 17. Unter diesen läßt sich der Vorsprung 18 eines Dornes 19 drehen, der einen kleineren Durchmesser als die zylindrische Boh rung 16 hat.

In Fig. 9 ist dargestellt, daß die Brennstäbe 2 der unte ren Ebene und 2′ der oberen Ebene auch durch weitere Strukturteile zusammengefaßt werden können. Solche Struk turteile sind eine untere Endplatte 22, die durch einen durchgehenden Stab 23 mit einer oberen, sogenannten Kopf platte 24 verbunden ist, und Greifzapfen 25, die in einem Stück mit dem Strukturstab 23 hergestellt sein können. Zwischen der unteren Endplatte 22 und der Kopfplatte 24, die vorzugsweise leicht abnehmbar ist, können Abstands halter 26 angeordnet werden.

In den Fig. 10 und 11 ist zu sehen, daß die Brennstäbe 2, 2′ auch mit Distanzstücken 30 versehen werden können, um den gewünschten größeren Abstand bei der stärker moderierten Kernanordnung zu erhalten. Das Distanzstück 30 hat wie die Fig. 11 erkennen läßt, einen kreuzförmi gen Querschnitt. Die Kreuzform ist jedoch nicht ganz symmetrisch, weil zwei Kerben 31 in zwei benachbarten Flügeln 32 und 33 des Kreuzquerschnittes Vorsprünge 35 und 36 zugeordnet sind, die an den beiden weiteren Flügeln 37 und 38 des Kreuzquerschnittes sitzen. Solche Distanzstücke 30 können, wie die Fig. 10 zeigt, mit einem nabenförmigen Bund 39 an dem Zapfen 19 des End stückes 15 eines Brennstabes 2, 2′ festgemacht werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines wassergekühlten Kern reaktors, insbesondere eines Siedewasserreaktors, mit einem aus Brennstäben zusammengesetzten Reaktorkern, wobei die Brennstäbe in einen regelmäßigen Stabgitter parallel zueinander angeordent sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der parallelen Brennstäbe während der Lebensdauer des Kern durch Herausnehmen von Brennstäben aus Positionen des Stabgitters verringert wird und daß die herausgenommenen Stäbe in einer zweiten, in axialer Richtung versetzten Ebene an Positionen des Stabgitters angeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Brennstäben besetzte Querschnittsfläche des Reaktorkerns während der Lebensdauer des Reaktor kerns beibehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hälfte der ursprünglich in einer Ebene sitzenden Brennstäbe für eine spätere Betriebsperiode in die zweite Ebene umgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe der zweiten Ebene an Positionen des Stabgitters gesetzt werden, an denen in der ersten Ebene Brennstäbe sitzen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe in mehreren Stufen nacheinander umgesetzt werden.