DE3854986T2

DE3854986T2 - Brennstabbündel

Info

Publication number: DE3854986T2
Application number: DE3854986T
Authority: DE
Inventors: Motoo Aoyama; Yasunori Bessho; Junichi Koyama; Hiromi Maruyama; Akinobu Nakajima; Mitsunari Nakamura; Michihiro Ozawa; Sadao Uchikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-11-07
Filing date: 1988-11-07
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2008-11-08
Also published as: DE3854986D1; EP0315929A3; US5008070A; EP0315929A2; EP0315929B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffkassetten und insbesondere Brennstoffkassetten, die für eine verbesserte Brennstoffausnutzung geeignet sind und in Siedewasserreaktoren (BWR) eingebaut werden können.
Wenn eine in einem Siedewasserreaktor zu verwendende Brennstoffkassette im Reaktorkern installiert wird, wird nichtgesättigtes Kühlwasser oder Kühlmittel durch die Öffnungen einer unteren Verankerungsplatte der Brennstoffkassette zwischen die Brennstäbe einströmen gelassen. Wenn das Kühlmittel vom unteren Abschnitt zum oberen Abschnitt zwischen den Brennstäben strömt, wird es erhitzt, bis es siedet, und bildet eine zweiphasige Strömung, die aus den Öffnungen einer oberen Verankerungsplatte austritt. Daher wird generell Leichtwasser als Neutronenmoderator so verteilt, daß innerhalb der Brennstoffkassette die Menge des Leichtwassers vom unteren Abschnitt zum oberen Abschnitt abnimmt. Es ist auch anzumerken, daß die Istverteilung des Kühlmittels in axialer Richtung von der Wechselwirkung mit der Leistungsverteilung abhängt. Der mittlere Hohlraumanteil des Reaktorkerns, der durch eine derartige Verteilung bestimmt wird, steuert nämlich die Neutronenmoderierung des gesamten Reaktorkerns und die Leistungsverteilung.
Um eine effektive Nutzung der Uranressourcen zu realisieren und die Energiekosten zu senken, ist kürzlich vorgeschlagen worden, die mittlere Anreicherung der Brennstoffkassetten zu steigern, um dadurch Brennstoffkassetten mit einem hohen Abbrand zu erreichen. Durch den hohen Abbrand der Brennstoffkassette wird die Abbrandreaktivität erhöht, was für die Aufrechterhaltung des Betriebes des Reaktors während eines Betriebszyklus erforderlich ist. Es ist vorgeschlagen worden, die Reaktivität von Siedewasserreaktoren in der Hauptsache durch Einstellen der Menge des brennbaren Giftstoffs, d.h. von Gadoliniumoxid, und des mittleren Hohlraumanteils des Reaktorkerns zu steuern. Diese Einstellung des mittleren Hohlraumanteils des Reaktorkers erfolgt durch den Betrieb des Reaktors mit einem großen Hohlraumanteil während des Betriebszyklus vom Anfangsstadium bis fast ans Ende des Betriebszyklus, an dem die Neutronenmoderierung klein ist, wodurch die gesteuerte Größe der Reaktivität dadurch größer wird, daß Neutronen im Uran 238 absorbiert werden. Die Einstellung erfolgt wiederum durch Verwendung eines kleinen Hohlraumanteils am Ende des Betriebszyklus. Ein Verfahren zur Einstellung des Hohlraumanteils des Reaktorkerns wird Spektraldriftbetrieb ("spectral shift operation") genannt. Bei diesem Verfahren bewirken sowohl die effektive Verwendung von Plutonium 239, als auch die Steuerung der Reaktivität eine Brennstoffeinsparung, da als Brennstoff aus Uran 238 umgewandeltes Plutonium 239 in der Endstufe des Betriebszyklus in effizienter Weise verwendet wird. Das Spektraldriftbetriebs-Verfahren läßt sich in ein Verfahren zum Ändern des Durchsatzes des Kühlmittels während des Betriebszyklus und in ein Verfahren zum Ändern der axialen Leistungsverteilung während des Betriebszyklus einteilen.
Das letztere Verfahren ist in US-A-4 587 090 und US-A- 4 683 113 angegeben. Nach diesem Verfahren werden der Unterschied in der Reaktivität des oberen Bereichs und des unteren Bereichs der Brennstoffkassette infolge des Anreicherungsunterschieds und der Unterschied in der Reaktivität zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich infolge der unterschiedlichen Menge des brennbaren Giftstoffs wirksam genutzt, so daß die Leistungsverteilung in der Brennstoffkassette während der ersten Hälfte des Betriebszyklus des Reaktors nach unten und während der zweiten Hälfte des Betriebszyklus nach oben gebogen ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffkassette anzugeben, mit deren Hilfe der Spektraldrifteffekt vergrößert werden kann, ohne daß die maximale lineare Wärmeerzeugungsrate zunimmt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Konzentration des brennbaren Giftstoffs im unteren Bereich der Brennstoffkassette niedriger als im oberen Bereich ist. Wenn jeder der den brennbaren Giftstoff enthaltenden Brennstäbe in einen oberen und einen unteren Bereich aufgeteilt ist, ist einer dieser Bereiche der Brennstäbe, der die höchste Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax und einer der Bereiche der Brennstäbe, der die niedrigste Konzentration des brennbaren Giftstoffs enthält, im unteren Bereich der Brennstoffkassete angeordnet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A bis 1D sind Diagramme, die die Beziehungen zwischen der Verteilung der Gadoliniumoxidkonzentration und den Reaktoreigenschaften zeigen.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Abbrand und dem axialen Leistungsspitzenkoeffizienten zeigt.
Fig. 3 ist ein Diagramm der relativen Leistungsverteilung in axialer Richtung.
Fig. 4 ist eine Darstellung zur Verdeutlichung der optimalen axialen Leistungsverteilung.
Fig. 5 und 7 zeigen Kennlinien zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen Abbrand und unendlicher Multiplikation.
Fig. 6A und 6B zeigen die durch die axiale Gadoliniumoxidkonzentration hervorgerufenen Änderungen der axialen Leistungsspitzen.
Fig. 8 zeigt den Aufbau einer Brennstoffkassette gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist ein Schnitt entlang der Linie IX-IX von Fig. 8.
Fig. 10 zeigt die Anreicherung und die Verteilung der Gadoliniumoxidkonzentration in jedem der in Fig. 9 gezeigten Brennstäbe.
Fig. 11 ist ein Schnitt durch eine angenommene Brennstoffkassette zur Darstellung der Wirkung der in Fig. 8 gezeigten Brennstoffkassette.
Fig. 12 ist eine Darstellung der Anreicherung und der Verteilung der Gadoliniumoxidkonzentration in jedem der in Fig. 11 gezeigten Brennstäbe.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen Abbrand und maximaler linearer thermischer Leistung, bezogen auf die in Fig. 8 gezeigte Brennstoffkassette.
Fig. 14 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen Abbrand und mittlerem Hohlraumanteil im Reaktorkern, bezogen auf die in Fig. 8 gezeigte Brennstoffkassette.
Fig. 15, 17, 19 und 21 sind Schnitte durch Brennstoffkassetten gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 16, 18, 20 und 22 sind Diagramme der Anreicherung und der Verteilung der Gadoliniumoxidkonzentration in jedem der in den Fig. 15, 17, 19 bzw. 21 gezeigten Brennstäbe.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Rahmen der Erfindung ist die in US-A-4 587 090 angegebene Brennstoffkassette untersucht worden, d.h., die Brennstoffkassette, bei der nicht nur die Anreicherung, sondern auch die Menge des brennbaren Giftstoffs im oberen Bereich größer als im unteren Bereich ist, und es wurde festgestellt, daß sich bei der herkömmlichen Brennstoffkassette die folgenden neuen Probleme ergeben. Es ergibt sich nämlich das Problem, daß die maximale lineare thermische Leistung der Brennstäbe in dem Fall, in dem ein erhöhter Spektraldrifteffekt erwünscht ist, wenn der brennbare Giftstoff im unteren Bereich der Brennstoffkassette abnimmt, wesentlich zunimmt. Wenn die Anzahl der den brennbaren Giftstoff enthaltenden Brennstäbe im unteren Bereich oder die Konzentration des in den Brennstäben enthaltenen brennbaren Giftstoffs verringert werden würde, würde der Faktor der unendlichen Neutronenmultiplikation im unteren Bereich größer, so daß die Differenz der Reaktivität zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Reaktorkerns groß wird. Darüberhinaus würde die thermische Neutronenflußdichte im unteren Bereich des Reaktorkerns zunehmen, so daß die Verbrennung des brennbaren Giftstoffs beschleunigt würde, wodurch die Differenz der Reaktivität zwischen dem oberen und dem unteren Bereich weiter vergrößert würde. Es bestünde daher die Gefahr, daß infolge des Höchstwerts der axialen Leistungsverteilung im unteren Bereich zu einem bestimmten Zeitpunkt im Betriebszyklus der Betriebsgrenzwert der maximalen linearen thermischen Leistung überschritten würde.
Um die oben beschriebenen neu aufgetretenen Probleme zu lösen, sind mehrere Brennstoffkassetten-Anordnungen untersucht worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im folgenden erläutert.
Die eigentliche Funktion des brennbaren Giftstoffes ist es, die übermäßige Reaktivität im Anfangsstadium des Betriebszyklus zu steuern. Da der brennbare Giftstoff ein stark Neutronen-absorbierendes Material ist, muß verhindert werden, daß das Material in der Endstufe des Betriebszyklus nicht verbrennt. Auch ist bei einem brennbaren Giftstoff wie Gadoliniumoxid die übermäßige Absorption der Neutronen durch die Nuklide nach der Neutronenabsorption nicht vernachlässigbar. Es ist daher wichtig, den brennbaren Giftstoff innerhalb des Bereichs, in dem die Reaktivität im Anfangsstadium des Betriebszyklus moderiert werden kann, unter dem Gesichtspunkt der Einsparung von Neutronen zu verringern.
Im Hinblick auf diesen Gesichtspunkt ist es sehr wirksam, die Menge des brennbaren Giftstoffs im unteren Bereich der Brennstoffkassette zu verringern. Fig. 1A bis 1D zeigen verschiedene Änderungen des Betriebs: Fall (1), in dem die Menge des Gadoliniumoxids (GdO&sub3;), d.h., des brennbaren Giftstoffs, im unteren Bereich der Brennstoffkassette verringert ist, Fall (2), in dem die Menge des Gadoliniumoxids zwischen dem oberen und dem unteren Bereich der Brennstoffkassette konstant gehalten ist, bzw. Fall (3), in dem die Menge des Gadoliniumoxids im oberen Bereich der Brennstoffkassette verringert ist. Im Fall (1), in dem die Menge des Gadoliniumoxids im unteren Bereich der Brennstoffkassette verkleinert ist, nimmt die Reaktivität im Endstadium des Betriebszyklus aufgrund des Spektraldrifteffekts merklich zu, wie oben beschrieben und in Fig. 1A gezeigt ist. Da der Hohlraumanteil im Anfangsstadium des Betriebszyklus vergrößert wird, wird eine übermäßige Reaktivität unabhängig von der kleinen Gadoliniumoxidmenge auf ein niedriges Niveau abgesenkt und fast unterdrückt (Fig. 1B). Da ferner der Anstieg der Reaktivität im Reaktorkern geringer ist, wenn sich der Betrieb im Übergangsstadium vom Betriebzustand in den kalten Zustand befindet, wird, wie Fig. 1C zeigt, die Abschaltgrenze des Reaktors vergrößert.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Brennstoffausnutzung zu steigern, ohne die Abschaltgrenze oder die Reaktivität des Reaktors zu verschlechtern, indem die Menge des Gadoliniumoxids im unteren Bereich der Brennstoffkassette verringert wird. Wenn jedoch die Verringerung der Gadoliniumoxidmenge im unteren Bereich der Brennstoffkassette einfach durch Verringerung der Konzentration des Gadoliniumoxids im unteren Bereich oder durch eine Verringerung der Anzahl der Brennstäbe erfolgt, in deren unterem Bereich sich das Gadoliniumoxid befindet, nimmt die maximale lineare thermische Leistung wesentlich zu, wie Fig. 1D zeigt. Die oben angegebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung können auf der Basis des Erfindungskonzepts einer Optimierung der Leistungsverteilung im Reaktorkern in axialer Richtung durch Änderung der Verbrennung und der Menge des brennbaren Giftstoffs im unteren Bereich der Brennstoffkassette erzielt werden, wodurch der höchste Spektraldrifteffekt erzielt werden kann, ohne die maximale lineare thermische Leistung wesentlich zu steigern.
Fig. 2 zeigt eine typische Änderung der Verbrennung an den axialen Leistungsspitzenwerten. Fig. 3 zeigt die Leistungsverteilung in der axialen Richtung des Reaktorkerns in Hinblick auf jeden Abbrand an den in Fig. 2 gezeigten Punkten A bis E. Gemäß Fig. 2 wird die untere Leistungsspitze der axialen Leistungsverteilung zu Beginn des Betriebszyklus (Punkt A) bei Punkt B schwächer und ist im Punkt C am stärksten. Danach verflacht die axiale Leistungsverteilung rasch, schwächt sich ab und steigt nach Punkt D wieder steil an. Unter Bezug auf eine derartige Änderung bleibt, wie Fig. 4 zeigt, der Spitzenwert des unteren Bereichs vor der Mitte des Betriebszyklus auf einem hohen Niveau, während das Maximum der axialen Leistung konstant bleibt (Fig. 4, rechte Seite). Infolgedessen ist es möglich, den Spektraldrifteffekt zu steigern, ohne daß die maximale lineare thermische Leistung zunimmt.
Im Reaktorkern sind mehrere Gruppen von Brennstoffkassetten installiert, die unterschiedliche Betriebszyklen aufweisen. Nach den im Rahmen der Erfindung durchgeführten Analysen hängt der Einfluß der axialen Leistungsspitze im Anfangsstadium des Betriebszyklus in der Hauptsache davon ab, daß der Abbrand und somit das Reaktivitätsverhältnis zwischen der Reaktivität des oberen und des unteren Bereichs der Brennstoffkassetten im ersten und zweiten Betriebszyklus geändert wird, und er hängt des weiteren vom relativen Leistungsverhältnis zwischen den Brennstoffkassetten im ersten und zweiten Betriebszyklus ab. Der lokale maximale Spitzenwert der axialen Ausgangsleistung im Zwischenstadium des Betriebszyklus hängt vom Höchstwert des Verhältnisses zwischen der Reaktivität des oberen und des unteren Bereichs der Brennstoffkassetten im ersten Betriebszyklus ab. Wenn daher die Änderung des Faktors der unendlichen Neutronenmultiplikation im Anfangsstadium des Abbrandes durch die Gadoliniumoxidmenge der Brennstoffkassetten derart eingestellt wird, um die Abbrandänderung in Bezug auf das Verhältnis zwischen der Reaktivität des oberen und des unteren Bereichs der Brennstoffkassetten im ersten Betriebszyklus auf geeignete Weise einzustellen, kann eine gewünschte Änderung der axialen Leistungsspitze erreicht werden, wie Fig. 4, rechte Seite, zeigt.
Der Wert der Reaktivität des stark Neutronen-absorbierenden Materials, beispielsweise Gadoliniumoxid, ist von der Oberfläche des Materials abhängig. Je höher die Zahl der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe ist, desto größer ist die Moderatorwirkung. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Zahl der Brennstäbe, die Gadoliniumoxid enthalten, und dem unendlichem Multiplikationsfaktor. Der Faktor der unendlichen Neutronenmultiplikation einer Brennstoffkassette, die aus zwölf Brennstäben besteht, die 4,5 Gew.-% Gadoliniumoxid und vier Brennstäben, die 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten, ist im Anfangsstadium des Betriebszyklus um eine Differenz Δk von 3,3 % kleiner als der Faktor einer Brennstoffkassette, bei der die Zahl der Brennstäbe, die 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten, um zwei kleiner ist. Im Endstadium, wenn das Gadoliniumoxid abgebrannt ist, beträgt die Differenz Δk beim Höchstwert des Faktors der unendlichen Neutronenmultiplikation nur 0,3 %, da der Wert, wenn die Gadoliniumoxidkonzentration in den Brennstäben konstant gehalten wird, in keiner direkten Beziehung zur Zahl der Brennstäbe steht. Wird die Zahl der Brennstäbe, die Gadoliniumoxid enthalten, im unteren Teil der Brennstoffkassette verringert, steigt die Leistungsspitze für den unteren Bereich der Brennstoffkassette an, wie Fig. 6A zeigt, und zwar insbesondere im Anfangsstadium des Betriebszyklus. In Übereinstimmung mit diesem Phänomen wird die Differenz zwischen Abbranddurchsatz des oberen und unteren Bereichs der Brennstoffkassette noch größer, so daß die Leistungsspitze für den unteren Bereich in der Zwischenstufe des Betriebszyklus etwas zunimmt.
Die Gadoliniumoxidkonzentration, die in einem einzigen Brennstab enthalten ist, hat Einfluß auf die Zeit für den Abbrand von Gadoliniumoxid. Wie Fig. 7 zeigt, kann entsprechend der Gadoliniumoxidkonzentration der Faktor der unendlichen Neutronenmultiplikation zu Beginn des Abbrands innerhalb eines kleinen Bereichs Δk von etwa 1,2 % gehalten werden. Wenn jedoch die Gadoliniumoxidkonzentration niedrig ist, wird das Gadoliniumoxid rasch verbrannt, so daß der den Höchstwert des unendlichen Multiplikationsfaktors erreichende Abbrand beschleunigt wird und beim Höchstwert des unendlichen Neutronenmultiplikationsfaktors eine Differenz Δk von 1,8 % entsteht. Somit beeinflußt die Gadoliniumoxidkonzentration insbesondere in der Zwischenstufe des Betriebszyklus die Größe der Leistungsspitzen des unteren Bereichs. Wenn die Gadoliniumoxidkonzentration im unteren Bereich des Brennstabs erhöht ist, wie Fig. 6B zeigt, kann die Leistungsspitze im unteren Bereich der Brennstoffkassette hauptsächlich in der Zwischenstufe des Betriebszyklus gesenkt werden.
Die durchgehende Linie in Fig. 7 ist die Kennlinie der Brennstoffkassette, die aus zwölf Brennstäben, die 4,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten, und vier Brennstäben besteht, die 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten. Die gestrichelte Linie ist die Kennlinie der Brennstoffkassette, die aus sechzehn Brennstäben besteht, die 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten. Die Punkt-Strich-Linie ist die Kennlinie der Brennstoffkassette, die aus zwölf Brennstäben, die 5,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten, und vier Brennstäben besteht, die 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid enthalten.
Die Steuerung der axialen Leistungsspitze kann durch eine Kombination der Zahl der Brennstäbe, die Gadoliniumoxid enthalten, und die Gadoliniumoxidkonzentration bewirkt werden, wodurch eine Änderung der axialen Leistungsspitze erzielt wird, die dem Wert nahekommt, wie Fig. 4, rechte Seite, zeigt. Die Zahl der Brennstäbe, die Gadoliniumoxid enthalten, im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist nämlich geringer und die Gadoliniumkonzentration in diesem Bereich ist höher, so daß bei der Änderung der axialen Leistungsspitze der der Mulde entsprechende Abschnitt in der Anfangsstufe des Betriebszyklus angehoben und der dem Kreuz entsprechende Abschnitt in der Zwischenstufe des Betriebszyklus abgesenkt werden kann. Die Einstellung der Gadoliniumoxidmenge, bei der derartige Kennlinien erhalten werden können, entspricht dem Fall, in dem die Gadoliniumoxidkonzentration, die im unteren Bereich der Brennstäbe am niedrigsten ist, auf Null gehalten wird.
Die oben beschriebene Brennstoffkassette ist jedoch nicht zu dem Zweck angeordnet, die axiale Leistungsspitze ganz im Anfangsstadium des Betriebszyklus zu steuern. Da nämlich die Zahl der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe im unteren Bereich der Brennstoffkassette verringert ist, wird die Leistungsverteilung im transversalen Querschnitt der Brennstoffkassete gleichmäßig, wodurch die lokale Leistungsspitze niedriger wird. Daher ist im Vergleich mit der Zunahme der Leistungsspitze im unteren Bereich der Brennstoffkassette die Zunahme der linearen thermischen Leistung klein. Wenn jedoch die Zahl der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe im unteren Bereich der Brennstoffkassette geringer ist, steigt die Leistungsspitze in der Anfangsstufe des Betriebszyklus im unteren Bereich sprunghaft an. Wenn daher die Zahl der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe im unteren Bereich der Brennstoffkassette geringer ist, so daß ein unterer Grenzwert etwas überschritten wird, erreicht die lineare thermische Leistung in der Anfangsstufe des Betriebszyklus den Höchstwert. Um hier eine Verbesserung zu erzielen, ist es bevorzugt, die niedrigste Gadoliniumoxidkonzentration im unteren Teil auf einen ziemlich niedrigen Pegel abzusenken, der nicht Null ist. Die sehr niedrige Konzentration des Gadoliniumoxids (aber nicht Null) im unteren Teil der Brennstäbe dient nämlich nur dazu, die Leistung im unteren Teil ganz im Anfangsstadium des Betriebszyklus zu unterdrücken. Somit ist es möglich, in Bezug auf den Abbrand die Änderung der axialen Leistungsspitze auf den Idealwert zu verschieben.
Danach werden diejenigen Stäbe der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe im unteren Teil, die die geringste Gadoliniumoxidkonzentration enthalten, wie folgt angeordnet.
(i) Die Reaktivität des Reaktors im unteren Teil der Brennstoffkassette im frühen Anfangsstadium des Betriebszyklus ist wirksam zu reduzieren.
(ii) Bei einem Neutronenspektrum mit Gewicht auf den weichen Neutronen und einem hohem Neutroneneinfluß ist die Menge des brennbaren Giftstoffs so weit als möglich zu reduzieren.
Es ist nämlich bevorzugt, daß die Konzentration des Gadoliniumoxids in dem Bereich, der sich in der Nähe des Bereichs mit gesättigtem Wasser, z. B. nahe an den Wasserstäben, befindet, niedrig ist. In einem Bereich, in dem die Neutronenflußdichte hoch und das Spektrum "weich" ist, ist die Reaktivitätsmoderierungswirkung im Anfangsstadium des Abbrandes auch bei einer kleinen Gadoliniumoxidmenge beträchtlich. Die kleine Gadoliniumoxidmenge wird rasch verbrannt, so daß das Ziel leicht erreicht werden kann, die Reaktivität gleich im Anfangsstadium des Betriebszyklus zu moderieren. Im Hinblick auf die Neutronenabsorption durch die Gadoliniumoxidnuklide ist es, nachdem die Neutronen durch die Nuklide absorbiert worden sind, ferner möglich, die Reaktivität nach dem Abbrand des Gadoliniumoxids dadurch zu steigern, daß die Gadoliniumoxidmenge in dem Bereich verringert wird, der an den Bereich mit gesättigtem Wasser angrenzt.
Um bei den Brennstoffkassetten einen weiten Bereich verfügbar zu machen, in dem, wie oben angegeben, das Neutronenspektrum "weich" ist, wird die Brennstoffkassette dadurch vergrößert, daß die Fläche der Wasserstäbe vergrößert wird (d.h., die Zahl der Wasserstäbe wird erhöht oder der Außendurchmesser der Wasserstäbe wird vergrößert).
Im übrigen wird bei der Anreicherung des oberen und unteren Bereichs der Brennstoffkassette, wenn der obere Bereich höher als der untere Teil angereichert ist, wie in US-A-4 229 258 angegeben, die axiale Leistungsverteilung gleich, wodurch die Leistungsspitze des unteren Bereichs niedriger wird. Da eine derartige Erniedrigung der Leistungsspitze im unteren Bereich der Brennstoffkassette im wesentlichen nicht auf den Abbrand während des Betriebszyklus bezogen ist, ist es wirksam, die axiale Leistungsspitze über den gesamten Zeitraum des Betriebszyklus hinweg im wesentlichen gleich zu halten, wobei sich die axiale Leistungsspitze in Bezug auf den Abbrand nicht stark ändert.
Eine Ausführungsform, die im Rahmen der oben angegebenen Untersuchungen entwickelt worden ist, wird im folgenden erläutert.
Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die bei einem Siedewasserreaktor eingesetzt wird, wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 8 und 9 beschrieben.
Gemäß der Ausführungsform umfaßt eine Brennstoffkassette 10 eine obere Verankerungsplatte 11, eine untere Verankerungsplatte 12, mehrere Brennstäbe 13, mehrere Brennstoff-Abstandhalter 14 und zwei Wasserstäbe (WR). Der obere Endabschnitt jedes Brennstabs 13 und der Wasserstäbe (WR) sind an der oberen Verankerungsplatte 11, und der untere Endabschnitt ist an der unteren Verankerungsplatte 12 abgestützt. Die Brennstäbe 13 sind mit Urandioxidpellets gefüllt. Die Brennstoff- Abstandhalter 14 wurden zum Abstützen der jeweiligen Brennstäbe 13 verwendet, so daß zwischen den einander benachbarten Brennstäben 13 ein vorgegebener Abstand gehalten wird. Ein Kanalkasten 15 ist auf der oberen Verankerungsplatte 11 angeordnet und umgibt den Umfang des vom Brennstoff-Abstandhalter 14 abgestützten Brennstabbündels.
Als Brennstäbe 13 werden sechs Arten von Brennstäben 1 bis 4, G1 und G2 verwendet. Die Brennstäbe sind in einer regelmäßigen quadratischen Matrix aus 9 Reihen und 9 Säulen angeordnet. Die zwei Wasserstäbe (WR) sind im zentralen Bereich im Querschnitt der Brennstoffkassette und nahe aneinander entlang einer Geraden angeordnet, die zwei gegenüberliegende Ecken des Kanalkastens 15 miteinander verbindet. Der Außendurchmesser des Wasserstabes (WR) ist größer als der Kanalabstand der Brennstäbe. Die zwei Wasserstäbe (WR) nehmen eine Fläche ein, die sieben im gleichen Brennstab-Kanalabstand angeordneten Brennstäben 13 entspricht, d. h., die zwei Wasserstäbe (WR) können durch sieben Brennstäbe 13 ersetzt werden. Die Brennstoffkassette gemäß dieser Anordnung ist in den Fig. 1, 7 und 8 der japanischen Patentanmeldung JP-62- 217186 beschrieben.
Die Anreicherung in axialer Richtung der Brennstäbe 1 bis 4, G1 und G2 und die Verteilung der Gadoliniumoxidkonzentration sind in Fig. 10 gezeigt. Jeder Brennstab ist im Bereich vom unteren Ende des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs bis 1/24 des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs und im Bereich von 22/24 bis 24/24 des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, bezogen auf das untere Ende des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, mit natürlichem Uran gefüllt. Die gestrichelten Bereiche jedes Brennstabs in Fig. 10 zeigen den mit natürlichem Uran gefüllten Abschnitt. Der effektive Längenabschnitt des Brennstoffs bedeutet den Bereich, in den die Brennstoffpellets eingefüllt sind. Keiner der Brennstäbe 1 bis 4 enthält Gadoliniumoxid. Die Brennstäbe G1 und G2 enthalten Gadoliniumoxid, sie werden als Gadoliniumoxid enthaltende Brennstäbe verwendet. Die mittlere Gadoliniumoxidkonzentration des Brennstabs G2 ist niedriger als die Konzentration von Brennstab G1. Der mit Uran angereicherte Einfüllbereich der Brennstäbe 1 bis 4, G1 und G2 liegt im Bereich von 1/24 bis 22/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, bezogen auf das untere Ende des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs. Bei den Brennstäben 1, 3, 4, G1 und G2 ist die Anreicherung in dem Bereich, in den das angereicherte Uran gefüllt ist, in axialer Richtung gleich. Die Anreicherung in dem Bereich der Brennstäbe 1, 3, 4, G1 und G2, in den das angereicherte Uran gefüllt ist, ist die folgende. Die Anreicherung des Brennstabs 1 beträgt 4,85 Gew.-%, die Anreicherung des Brennstabs 3 beträgt 3,90 Gew.-%, die Anreicherung des Brennstabs 4 beträgt 3,20 Gew.-%, die Anreicherung des Brennstabs G1 beträgt 4,20 Gew.-% und die Anreicherung des Brennstabs G2 beträgt 3,8 Gew.-%. Die Anreicherung des Brennstabs 2 in dem Bereich, der mit angereichertem Uran gefüllt ist, im Bereich von 1/24 bis 11/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs beträgt 4,20 Gew.-%, hinsichtlich des unteren Endes des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, und im Bereich von 11/24 bis 22/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs beträgt sie 4,85 Gew.-%. Die Verteilung der Gadoliniumoxidkonzentration der Brennstäbe G1 und G2 ist wie folgt. Die Gadoliniumoxidkonzentration des Brennstabs G1 beträgt im Bereich von 1/24 bis 11/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs hinsichtlich des unteren Endes des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs 5,0 Gew.-%, und 4,5 Gew.-%. im Bereich von 11/24 bis 22/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs. Die Gadoliniumoxidkonzentration des Brennstabs G2 beträgt im Bereich von 1/24 bis 11/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs 0,0 Gew.-% und 3,5 % im Bereich von 11/24 bis 22/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs. Es ist nicht erforderlich, in den mit natürlichem Uran gefüllten Bereich Gadoliniumoxid einzufüllen, da die Energie dort klein ist. Wenn in diesen Bereich Gadoliniumoxid eingefüllt würde, würde nach dem Abschluß des Betriebszyklus Gadoliniumoxid übrigbleiben. Der obere Bereich befindet sich, vom unteren Ende des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs gesehen, über der Position 11/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, wohingegen sich der untere Bereich unter dieser Position befindet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurden zwölf Brennstäbe G1 und vier Brennstäbe G2 verwendet. Die vier Brennstäbe G2 sind an einer Stelle in der Nähe der Wasserstäbe (WR) angeordnet, die den dazwischenliegenden Bereich mit gesättigtem Wasser bilden. Die zwölf Brennstäbe G1 sind vom äußersten Umfang aus radial nach innen, jedoch nicht in der Nähe der Wasserstäbe (WR) oder des Kanalkastens 15 angeordnet. Der Kanalkasten 15 dient dazu, den Weg des Kühlwasserstroms innerhalb der Brennstoffkassette 10 und um einen Zwischenraum für Wasser in der Brennstoffkassette 10 (Bereich mit gesättigtem Wasser) zu bilden, wenn die Brennstoffkassette 10 im Reaktorkern installiert ist. Die Brennstäbe G1 sind nämlich nicht in der Nähe des Bereichs mit gesättigtem Wasser angeordnet, der ausgebildet wird, wenn die Brennstoffkassette 10 im Reaktorkern installiert ist.
Im Hinblick auf das Gadoliniumoxid in der Brennstoffkassette 10 wird die Gadoliniumoxidmenge im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 durch die Gleichung 4,5 Gew.-% 12 + 3,5 Gew.-% 4 = 68 beschrieben, während die Gadoliniumoxidmenge im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 kleiner ist und durch die Gleichung 5,0 Gew.-% 12 + 0,0 Gew.-% 4 = 60 beschrieben wird. Wenn die Brennstäbe G1 und G2 in einen oberen und einen unteren Teil aufgeteilt werden, sind sowohl der Abschnitt mit der höchsten Gadoliniumoxidkonzentration (5 Gew.-%) als auch der Abschnitt mit dem niedrigsten Gadoliniumoxidkonzentration (0,0 Gew.- %) im unteren Bereich der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe vorhanden. Die Abschnitte mit der oben angegebenen höchsten und niedrigsten Konzentration des Gadoliniumoxids befinden sich nicht im oberen Bereich der Brennstoffkassete 10, in den das angereicherte Uran eingefüllt ist. Außerdem sind die Brennstäbe G2 mit der niedrigsten Gadoliniumoxidkonzentration nahe an den Wasserstäben (WR) angeordnet, um die Moderierung bezüglich der Reaktivität durch die umgewandelten Kernbruchstücke aus dem Gadoliniumoxid nach dem Abbrand des Gadoliniumoxids zu steigern und um die Moderierung auf minimalem Niveau zu halten. Um die maximale thermische Leistung zu verringern, ist in dieser Ausführungsform die mittlere Anreicherung des unteren Bereichs der Brennstoffkassete um 0.2 Gew.-% niedriger als die mittlere Anreicherung des oberen Bereichs. Fig. 11 zeigt die zur Darstellung der Wirkung der Ausführungsform verwendete Brennstoffkassette, diese Brennstoffkassete ist in der japanischen Patentanmeldung JP-62-217186 beschrieben; die Gadoliniumoxidkonzentration und die Anteicherungsverteilung werden in beiden Bereichen gleich gehalten. Die in Fig. 12 gezeigten Brennstäbe 1, 22, 23, 4, G3 und G4 bilden eine Brennstoffkassette 16. Die Anreicherung der Brennstäbe 1, 22, 23, 4, G3 bzw. G4 in den Bereichen zwischen dem oberen und dem unteren Endabschnitt, in die natürliches Uran gefüllt ist, betragen 4,85, 4,40, 3,80, 3,20, 4,40 bzw. 3,80 Gew.-%. Der Brennstab G3 enthält 4,50 Gew.-% und der Brennstab G4 enthält 3,50 Gew.% Gadoliniumoxid. Fig. 13 zeigt die auf den Abbrand bezogene Änderung der maximalen linearen thermischen Leistung des Reaktorkerns, in den jede Brennstoffkassette 10 und 16 geladen wird. Fig. 14 zeigt die auf den Abbrand bezogene Änderung des mittleren Hohlraumanteils des Reaktors. Bei der Brennstoffkassette 10 dieser Ausführungsform ist die Gadoliniumoxidmenge im oberen Bereich in axialer Richtung größer als im unteren Bereich. Bei den Brennstäben, die Gadoliniumoxid enthalten, befinden sich die Abschnitte mit der höchsten und der niedrigsten Gadoliniumoxidkonzentration nur in den unteren Bereichen. Verglichen mit der Brennstoffkassette 16 ist es daher möglich, die Leistungsspitze im unteren Bereich vor dem mittleren Stadium des Betriebszyklus auf einem hohen Niveau zu halten. Es ist möglich, den mittleren Hohlraumanteil des Reaktors in der ersten Hälfte des Betriebszyklus auf einem konstanten Niveau zu halten, das höher als das Niveau der Brennstoffkassette 16 ist, wie die durchgezogene Linie von Fig. 14 zeigt. Daher ist der Spektraldrifteffekt der Brennstoffkassette 10 höher. Bei dieser Ausführungsform ist der effektive Neutronenmultiplikatonsfaktor Δk im Endstadium des Betriebszykluss um 0,3 % größer als der Neutronenmultiplikatonsfaktor der Brennstoffkassette 16. Das hat die Wirkung, daß die erforderliche Menge an natürlichem Uran um 1 % verringert werden kann. Bei der Brennstoffkassette 10 ist es möglich, die maximale lineare thermische Leistung kleiner zu machen, als die maximale lineare thermische Leistung (ML), die bei der Brennstoffkassette 16 den Höchstwert erreicht.
Dieser Fall wird im folgenden erläutert, wobei der Erfindungsgedanke auf die Brennstoffkassette 16 angewendet wurde, bei der die Brennstäbe G2 mit einer Gadoliniumoxidkonzentration von 4,5 Gew.-% im unteren Bereich und einer Gadoliniumoxidkonzentration von 3,5 Gew.-% im oberen Bereich und die Brennstäbe G3 mit einer Gadoliniumoxidkonzentration von 0,0 Gew.-% im unteren Bereich und einer Gadoliniumoxidkonzentration von 4,5 Gew.-% im oberen Bereich verwendet wurden, wie in Fig. 3B von US-A-4 587 090 gezeigt. Es wird nun davon ausgegangen, daß bei der Brennstoffkassette 16 die Verteilung der Gadoliniumkonzentration im Brennstab G3 derart geändert wird, daß sie der Verteilung im Brennstab G3 in US-A-4 587 090 entspricht, und die Verteilung der Gadoliniumkonzentration im Brennstab G4 derart geändert wird, daß sie der Verteilung im Brennstab G3 in US-A-4 587 090 entspricht. Wenn dann der Betrieb mit der derart geänderten Brennstoffkassette, die in den Reaktorkern geladen wird, aufgenommen wird, ändern sich die maximale lineare thermische Leistung und der mittlere Hohlraumanteil wie folgt. Die maximale lineare thermische Leistung ändert sich zwischen der durchgezogenen und der gestrichelten Linie, bis die Position von etwa 6 GWd/t erreicht ist (Schnittpunkt P zwischen durchgezogener und gestrichelter Linie) und ändert sich weiter entlang der gestrichelten Linie nach dem Punkt P, wie Fig. 13 zeigt. Beim mittleren Hohlraumanteil des Reaktors der angenommenen Brennstoffkassette erfolgt die Änderung in der gleichen Weise, wie bei der maximalen linearen thermischen Leistung. Der Grund, warum bei der angenommenen Brennstoffkassette diese Kennlinien erzielt werden, ist der, daß die maximale Gadoliniumoxidkonzentration (4,5 Gew.-%) innerhalb der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe im unteren Bereich des Brennstabs G2 und im oberen Bereich des Brennstabs G3 vorhanden ist.
Bei der Brennstoffkassette 10 gemäß der Ausführungsform befindet sich der Abschnitt mit der höchsten Gadoliniumoxidkonzentration Gmax (z.B. 5,0 Gew.-%) innerhalb des Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstabs im unteren Bereich des Brennstabs G1 (genauer gesagt, in dem Bereich innerhalb des unteren Teils, in den das angereicherte Uran eingefüllt ist) und der Abschnitt mit der niedrigsten Gadoliniumoxidkonzentration Gmin (z.B. 0,0 Gew.-%) innerhalb des Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstabs befindet sich im unteren Bereich des Brennstabs G2 (genauer gesagt, in dem Bereich inerhalb des unteren Teils, in den das angereicherte Uran eingefüllt ist), wohingegen sich im oberen Bereich der Brennstäbe G1 und G2 (genauer gesagt, in dem Bereich innerhalb des oberen Teils, in den das angereicherte Uran eingefüllt ist) weder ein Abschnitt mit der höchsten Gadoliniumoxidkonzentration Gmax noch ein Abschnitt mit der niedrigsten Gadoliniumoxidkonzentration Gmin innerhalb der Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstäbe befindet.
Es ist daher bei der Brennstoffkassette 10 möglich, die maximale lineare thermische Leistung zu verringern, wobei deren größter Wert den Wert der oben beschriebenen Brennstoffkassette - die gemäß Fig. 3B von US-A-4 587 090 angenommen wurde - überschreitet. Da es ferner im Vergleich mit der angenommenen Brennstoffkassette bei der Brennstoffkassette 10 möglich ist, in der ersten Hälfte des Betriebszyklus im unteren Bereich der Kassette die Leistungsspitze und den Hohlraumanteil des Reaktors auf einem hohen Niveau zu halten, wird hier der Spektraldrifteffekt in einem höheren Maße gesteigert als der Spektraldrifteffekt der angenommenen Brennstoffkassette. Im übrigen liegt bei der Ausführungsform die Gadoliniumoxidkonzentration des oberen Bereichs (insbesondere in dem Bereich des oberen Teils, in den das angereicherte Uran eingefüllt wird) jedes Gadoliniumoxid enthaltenden Brennstabes (G1 und G2) zwischen der höchsten Gadoliniumoxidkonzentration Gmax und der niedrigsten Gadoliniumoxidkonzentration Gmin.
Da die Brennstäbe G1, die den Höchstgehalt an Gadoliniumoxid Gmax im unteren Bereich aufweisen, vom Außenumfang der Brennstoffkassette aus gesehen im radialen inneren Bereich und von dem Bereich, in dem sich das gesättigte Wasser befindet, bei dessen Neutronenspektrum das Gewicht auf den harten Neutronen liegt, entfernt angeordnet sind, ist es möglich, die Funktion des Gadoliniumoxids innerhalb der Brennstäbe G1 bis zur Endstufe des Betriebszyklus aufrechtzuerhalten. Das Gadoliniumoxid im oberen und unteren Bereich der Brennstäbe G1 wird in der Endstufe des Betriebszyklus verbraucht. Wenn die Brennstäbe G2, wie in dieser Ausführungsform, eine Gadoliniumoxidkonzentration aufweisen, die geringer als die Gadoliniumoxidkonzentration der Brennstäbe G1 ist, und die Gadoliniumoxidkonzentration im oberen Bereich wesentlich höher als im unteren Bereich ist, in der Nähe der Wasserstäbe (WR) angeordnet sind, ist es möglich, die Abschaltgrenze des Reaktors hinauszuschieben und eine maximale Spektraldrift zu bewirken. Die Brennstäbe G2 haben die Funktion, die Gadoliniumoxidkonzentration im oberen Bereich der Brennstoffkassette derart zu erhöhen, daß sie über der Konzentration des unteren Bereichs liegt. Dadurch wird bei der Brennstoffkassette 10 die Spektraldrift erzeugt.
Der Bereich mit dem natürlichem Uran, der sich am oberen und unteren Ende jedes Brennststabs befindet, bewirkt, daß die Anzahl der nach unten abwandernden und aus dem Reaktorkern austretenden Neutronen verringert wird, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Reaktors verbessert wird.
Bei der Ausführungsform sind die Brennstäbe 13 vom Außenumfang aus gesehen in einem dreifach geschlossenen Umlaufsystem in der Brennstoffkassette angeordnet und umgeben die zwei Wasserstäbe (WR). Die zwei Wasserstäbe sind in der Mitte des transversalen Querschnitts der Brennstoffkassette angeordnet und nehmen als Matrix aus 3 Reihen und 3 Säulen eine Fläche ein, die der Fläche der Brennstäbe 13 entspricht. Der Durchmesser der Wasserstäbe (WR) ist so gewählt, daß die Wasserstäbe in der oben angegebenen Fläche angeordnet werden können. Obwohl die zwei Wasserstäbe (WR) in einer derartigen Fläche angeordnet sind, können zwei Brennstäbe 13 des weiteren neben den zwei Wasserstäben (WR) in einer senkrecht zu der Geraden liegenden Richtung angeordnet sein, die die Mittelpunkte der zwei Wasserstäbe (WR) in der Fläche, in der die Brennstäbe in 3 Reihen und 3 Säulen angeordnet sein können, verbindet. Daher ist die Zahl der ausgetauschten Brennstäbe 13 auf sieben verringert (7 = 9 - 2). Da die zwei Wasserstäbe (WR) ferner im mittleren Teil der Brennstoffkassette angeordnet sind, ist es möglich, die im Mittelteil der Brennstoffkassette 10 erzeugten Spaltneutronen gut zu moderieren, wodurch der thermische Neutronenfluß vergrößert wird.
Somit wird der thermische Neutronenfluß im Mittelteil der Brennstoffkassette gesteigert und die thermische N,eutronenflußverteilung in der Brennstoffkassette 10 wird flacher. Ferner weicht die Anordnung der Brennstäbe 13 und der Wasserstäbe (WR) in der Brennstoffkassette 10 nicht wesentlich von der symmetrischen Anordnung in Bezug auf die Mitte der Brennstoffkassette 10 ab, wodurch es möglich ist, die Brennstäbe, die die gleiche Anreicherung aufweisen, im wesentlichen symmetrisch anzuordnen.
Eine weitere Ausführungsform für einen Siedewassereaktor wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 15 und 16 beschrieben. Die Anordnung der Brennstoffkassette 17 ist im wesentlichen die gleiche wie bei der Brennstoffkassette 10. Der Unterschied ist der, daß die Brennstäbe 2 der Brennstoffkassette 10 durch die Brennstäbe 22 ersetzt sind, bei denen die Anreicherung des mit angereichertem Uran gefüllten Bereichs in axialer Richtung einheitlich bei 4,40 Gew.-% liegt, und die Brennstäbe G1 durch die Brennstäbe G5 ersetzt sind, die eine höhere Anreicherung als 4,40 Gew.-% aufweisen. Die übrige Anordnung der Brennstoffkassette 17 ist die gleiche wie bei der Brennstoffkassette 10.
Die Brennstoffkassette 17 hat die gleiche Wirkung wie die Brennstoffkassette 10. Da in der Brennstoffkassette 17 die Brennstäbe 22 verwendet werden, ist gegenüber der Brennstoffkassette 10 die maximale lineare thermische Leistung um 2 % höher. Auch der Spektraldrifteffekt ist höher, wodurch die effektive Multiplikation Δk im Endstadium des Betriebszyklus um 0,05 % größer ist.
Ferner ist bei der Brennstoffkassette 17 die Abschaltgrenze des Reaktors größer als bei der der Brennstoffkassette 10. Der Grund liegt darin, weil die Anreicherung des oberen Bereichs der Brennstoffkassette 17 unter der Anreicherung des oberen Bereichs der Brennstoffkassette 10 liegt, steigert sich die Reaktivität im abgeschalteten, kalten Zustand nur geringfügig. Es ist anzumerken, daß bei dieser Ausführungsform die Abschaltgrenze des Reaktors gegenüber der Brennstoffkassette 10 vergrößert ist, bei der die Anreicherung und die Gadoliniumoxidverteilung in axialer Richtung gleich gehalten werden. Unter der Bedingung, daß die Anreicherungsverteilung in axialer Richtung und die Gadoliniumoxidverteilung im oberen Bereich konstant gehalten werden, wenn die Gadoliniumoxidmenge im unteren Bereich verringert wird, wird der untere Bereich kritischer, so daß gewährleistet ist, daß die Abschaltgrenze des Reaktors eingehalten wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden unter Bezug auf Fig. 17 und 18 beschrieben. Bei der Brennstoffkassette 18 ist die minimale Gadoliniumoxidkonzentration Gmin von 0,0 auf 1,0 Gew.-% geändert. Bei der Brennstoffkassette 18 wurden nämlich anstelle der Brennstäbe G2 die Brennstäbe G6 verwendet, und die Gadoliniumoxidkonzentration des unteren Bereichs wird auf 1,0 Gew.-% gehalten. Die vier Brennstäbe G6 sind in der gleichen Weise wie bei der Brennstoffkassette 10 in der Nähe der Wasserstäbe (WR) angeordnet, d.h., sie liegen gegnüber dem Bereich mit gesättigtem Wasser. Daher wird die Flußdichte der thermischen Neutronen auf einem hohen Niveau gehalten, und es ist daher möglich, auch mit einer kleinen Menge Gadoliniumoxid die relativ hohe Moderierungswirkung zu gewährleisten. Außerdem ist die Gadoliniumoxidkonzentration des oberen Bereichs der Brennstäbe G6 kleiner als die Konzentration des oberen Bereichs der anderen Brennstäbe (G1), die Gadoliniumoxid enthalten, so daß das Gadoliniumoxid vollständig verbrennt, und kein Gadoliniumoxid im Endstadium des Betriebszyklus mehr vorhanden ist. Eine Aufgabe der Anordnung der mehreren Wasserstäbe (WR) ist es, eine einheitliche Leistungsverteilung in der Brennstoffkassette vorzusehen. Zu diesem Zweck ist das Gadoliniumoxid in den Brennstäben G6 nahe an den Wasserstäben (WR) derart eingestellt, daß das Gadoliniumoxid, wenn es beinahe verbrannt ist, vollständig verbrannt wird, wodurch eine Energiesteigerung erzielt wird. Infolgedessen ist es möglich, die Moderierungswirkung der Reaktivität in der Anfangsstufe des Betriebszyklus zu verbessern bzw. zu steigern, ohne daß der Effekt einer einheitlichen Leistungsverteilung verlorengeht. Bei dieser Ausführungsform wird die Menge des Gadoliniumoxids im oberen Bereich der Brennstoffkassette 18 durch die folgende Gleichung ausgedrückt: 4,5 Gew.-% 12 + 3,5 Gew.-% 4 = 68 und die Menge des Gadoliniumoxids im unteren Bereich der Brennstoffkassette 18 wird durch die Gleichung: 5,0 Gew.-% 12 + 1,0 Gew.-% 4 = 64 ausgedrückt. Die Gadoliniumoxidmenge im unteren Abschnitt ist kleiner als im oberen Abschnitt.
Die Brennstoffkassette 18 wirkt genauso wie die Brennstoffkassette 10. Im Vergleich mit der Brennstoffkassette 10 ist es insbesondere möglich, daß durch den Einsatz der Brennstoffkassette 18 die axiale Leistungsspitze im Anfangsstadium des Betriebszyklus mit Hilfe der Brennstäbe G6 moderiert wird. Die lineare thermische Leistung der Brennstoffkassette 18 wird dann verringert. Infolgedessen ist die maximale lineare thermische Leistung während des gesamten Betriebszyklus um 3 % niedriger als die Leistung der Brennstoffkassette 10. Andererseits wird der Spektraldrifteffekt abgeschwächt, da das Gadoliniumoxid im unteren Bereich der Brennstoffkassette 18 geringfügig vermehrt und die Leistungsverteilung insgesamt einheitlich gemacht wird. Daher wird die effektive Multiplikation Δk im Endstadium des Betriebszyklus wird um etwa 0,1 % gesenkt. Bei der Brennstoffkassette 16, in der die Anreicherung in axialer Richtung konstant gehalten wird, ist jedoch, wie Fig. 11 zeigt, die effektive Multiplikation Δk im Endstadium des Betriebszyklus um 0,2 % gesteigert, obwohl die maximale lineare thermische Leistung um 3 % niedriger ist.
Eine weitere Ausführungsform wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 19 und 20 beschrieben. Bei dieser Brennstoffkassette 19 ist ein Wasserstab WR1 mit einem kreuzförmigen Querschnitt in der Mitte der Brennstoffkassette 19 angeordnet. Die Brennstäbe 1, 2, 23, 4, G1 und G7 sind in der Brennstoffkassette 19 derart angeordnet, daß sie den Wasserstab WR1 umgeben. Der Wasserstab WR1 nimmt im wesentlichen einen Raum ein, der dem Raum der fünf Brennstäbe entspricht, wodurch die gleiche Wasserfläche wie bei der Brennstoffkassette 18 eingenommen wird. Es sind 16 Gadoliniumoxid enthaltende Brennstäbe G1 und G7 vorgesehen. Die zwölf Brennstäbe G1 enthalten 4,5 Gew.-% Gadoliniumoxid im oberen Bereich und 5,0 Gew.-% Gadoliniumoxid im unteren Bereich. Die anderen vier Brennstäbe G7 sind nahe am Wasserstab WR1 angeordnet und enthalten nur im oberen Bereich 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid. Der Abschnitt der maximalen Gadoliniumoxidkonzentration von 5,0 Gew.-% und der minimalen Gadoliniumoxidkonzentration von 0,0 Gew.-% befinden sich im unteren Bereich der Brennstoffkassette 19, nicht jedoch in ihrem oberen Bereich. Ferner ist die Menge an Gadoliniumoxid im unteren Bereich der Brennstoffkassette 19 kleiner. Die Anreicherung des unteren Bereichs ist niedriger als im oberen Bereich. Die mittlere Anreicherungsdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Bereich beträgt jedoch 0,2 Gew.-% und ist die gleiche wie bei der Brennstoffkassette 10. Die Brennstoffkassette 19 führt zum gleichen Effekt wie die Brennstoffkassette 10. Bei dieser Ausführungsform wird, da die Zahl der Brennstäbe um zwei größer als bei der Brennstoffkassette 10 ist, die mittlere lineare thermische Leistung um 2 % gesenkt. Aus diesem Grunde ist es gegenüber Brennstoffkassette 10 möglich, die maximale lineare thermische Leistung niedrig zu halten.
Die charakteristischen Eigenschaften des Reaktorkerns, in den die Brennstoffkassette 19 geladen wird, sind im wesentlichen die gleichen wie bei Brennstoffkassette 10. Ferner ist die verbesserte Wirkung der Eigenschaften in Bezug auf die einheitliche axiale Verteilung und die Anreicherung in der Brennstoffkassette 19 im wesentlichen die gleiche wie bei der Brennstoffkassette 10.
Wenn eine große Menge an wieder aufbereitetem Brennstoff in einem kommerziellen Leichtwasserreaktor verwendet werden kann, ist es möglich, den gleichen Effekt mit Plutonium anstelle von Uran zu erzielen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 21 und 22 beschrieben. Eine Brennstoffkassette 20 wird durch Ersetzen aller Brennstäbe in der Brennstoffkassette 10 mit einem neuen Satz von Brennstäben 31 bis 35, und G8 bis G11 gebildet, wie Fig. 22 zeigt. Die neun Arten von Brennstäben sind in der Brennstoffkassette derart angeordnet, wie in Fig. 21 gezeigt ist. Jeder Brennstab ist in einem Bereich zwischen dem unteren Ende des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs und 1/24 der effektiven Gesamtlänge mit natürlichem Uran gefüllt. Des weiteren ist in den Brennstäben mit Ausnahme der Brennstäbe 32 natürliches Uran in einem Bereich von 22/24 der effektiven Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs bis zu deren oberen Ende gefüllt. Diese oberen und unteren Enden der Brennstäbe 31, 34, 35 und G8 bis Gil sind die Bereiche, in die angereichertes Uran eingefüllt ist. Die Anreicherung in diesen mit angereichertem Uran gefüllten Bereichen der Brennstäbe 31, 34, 35 und G8 bis G11 beträgt 4,8, 3,7, 3,0, 3,7, 3,9, 3,9 bzw. 3,9 Gew.-%. Die Anreicherung in jedem Brennstab in Axialrichtung ist gleich. Der Bereich im Brennstab 33, in den angereichertes Uran eingefüllt ist, ist an einem Trennpunkt von 11/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, vom unteren Ende aus gesehen, in einen oberen und einen unteren Bereich eingeteilt. Die Anreicherung im oberen Bereich des Bereichs mit angereichertem Uran beträgt 4,8 Gew.-% und die Anreicherung im unteren Bereich beträgt 4,1 Gew.-%.
Die Brennstäbe G8 bis G11 enthalten Gadoliniumoxid in den Bereichen, in die angereichertes Uran gefüllt ist. Der Brennstab G9 enthält 3,5 Gew.-% Gadoliniumoxid unter dem Bereich mit angereichertem Uran. Der mit angereichertem Uran gefüllte Bereich jedes Brennstabs G8, G10 und G11 ist am gleichen Trennpunkt wie Brennstab 33 in einen oberen und einen unteren Bereich aufgeteilt. Der obere Bereich des Brennstabs G8 enthält 4,5 Gew.-% und der untere Bereich enthält 5,5 Gew.-% Gadoliniumoxid. Der obere Bereich des Brennstabs G10 enthält 3,5 Gew.-% und der untere Bereich enthält 1,0 Gew.-% Gadoliniumoxid. Der obere Bereich des Brennstabs G11 enthält 4,5 Gew.-% und der untere Bereich enthält kein Gadoliniumoxid. Das obere Ende des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs des Brennstabs 32 ist bei 15/24 der axialen Gesamtlänge des effektiven Längenabschnitts des Brennstoffs, gerechnet vom unteren Ende des anderen Brennstabs, angeordnet. Der Brennstab 32 weist eine axiale Länge auf, die kürzer als die Länge anderer Brennstäbe ist. Alle Brennstäbe 32 sind nahe am Außenumfang in einem inneren geschlossenen Umlaufsystem der Brennstoffkassette 20 angeordnet. Die Verwendung von kurzen Brennstäben ist in den japanischen Patenanmeldungen JP-52-50498 und JP-60-2240092 offenbart.
Diese Ausführungsform hat die gleiche Wirkung wie die Ausführungsform der Brennstoffkassette 10, da in den Brennstäben ein Bereich aus einem oberen und einem unteren Bereich, der eine maximale Gadoliniumoxidkonzentration enthält, und ein Bereich aus einem oberen und einem unteren Bereich, der eine minimale Gadoliniumoxidkonzentration enthält, im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet sind, und die Menge an Gadoliniumoxid im oberen Bereich der Brennstoffkassette größer als im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist. Des weiteren kann durch den kurzen Brennstab der Druckverlust im oberen Bereich der Brennstoffkassette verringert und die Abschaltgrenze des Reaktors verbessert werden.

Claims

1. Brennstoffkassette, die mehrere erste Brennstäbe (1 bis 4; 22, 23; 31 bis 34), wobei jeder Brennstab Kernbrennstoff, jedoch keinen brennbaren Giftstoff enthält, und mehrere zweite Brennstäbe (G1 bis G11) umfaßt, wobei jeder Brennstab Kernbrennstoff und brennbaren Giftstoff enthält,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Menge des brennbaren Giftstoffs im unteren Bereich der Brennstoffkassette kleiner als im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist, und daß, wenn jeder der zweiten Brennstäbe in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich aufgeteilt ist, mindestens einer der Bereiche der zweiten Brennstäbe, der eine maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax enthält, und mindestens einer der Bereiche der zweiten Brennstäbe, der eine minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin enthält, im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet sind, wobei die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax nur im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet ist.

2. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin Null ist.

3. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin nicht Null und größer als Null ist.

4. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette kleiner als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist.

5. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei die Konzentration des brennbaren Giftstoffs G des oberen Bereichs jeder der zweiten Brennstäbe einem Verhältnis Gmin < G < Gmax entspricht.

6. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffkassette des weiteren einen dritten Brennstab (32) enthält, dessen effektiver Längenabschnitt des Brennstoffs eine axiale Länge aufweist, die geringer als die Länge des ersten und des zweiten Brennstabes ist.

7. Brennstoffkassette nach Anspruch 6, wobei der dritte Brennstab ein Teil des ersten Brennstabes ist.

8. Brennstoffkassette, die mehrere Brennstäbe (1 bis 4; 22, 23; 31 bis 34), wobei jeder Brennstab Kernbrennstoff, jedoch keinen brennbaren Giftstoff enthält, und mehrere Brennstäbe (G1 bis G11) umfaßt, wobei jeder Brennstab Kernbrennstoff und einen brennbaren Giftstoff und mindestens einen Wasserstab (WR) enthält, der zwischen den Brennstäben angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Menge des brennbaren Giftstoffs im unteren Bereich der Brennstoffkassette kleiner als im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist, und daß die mehreren Brennstäbe, die den Kernbrennstoff und den brennbaren Giftstoff enthalten, erste Brennstäbe und zweite Brennstäbe umfassen, deren mittlere Konzentration des brennbaren Giftstoffs niedriger als die mittlere Konzentration der ersten Brennstäbe ist, und die zweiten Brennstäbe in der Nähe des Wasserstabes angeordnet sind, und

daß, wenn jeder der ersten und zweiten Brennstäbe in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich aufgeteilt ist, ein Bereich der aufgeteilten Bereiche, der eine maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax enthält, und ein Bereich der aufgeteilten Bereiche, der eine minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin enthält, im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet sind, wobei die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax nur im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet ist.

9. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei die Konzentration des brennbaren Giftstoffs des unteren Bereichs der ersten Brennstäbe die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax ist, und die Konzentration des brennbaren Giftstoffs des unteren Bereichs der zweiten Brennstäbe die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin ist.

10. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei die ersten Brennstäbe mit Ausnahme eines Anordnungsbereichs der Brennstäbe am äußersten Umfang und eines Anordnungsbereichs der Brennstäbe in der Nähe eines Wasserstabs in einem Anordnungbereich der Brennstäbe der Brennstoffkassette angeordnet sind.

11. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei die Konzentration des brennbaren Giftstoffs G in den oberen Bereichen der ersten und der zweiten Brennstäbe einem Verhältnis Gmin < G < Gmax entspricht.

12. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei die Konzentration des brennbaren Giftstoffs im unteren Bereich der ersten Brennstäbe höher als die Konzentration im oberen Bereich der ersten Brennstäbe ist, und im unteren Bereich der zweiten Brennstäbe niedriger als im oberen Bereich der zweiten Brennstäbe ist.

13. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffkassette des weiteren einen dritten Brennstab (32) enthält, dessen effektiver Längenabschnitt des Brennstoffs eine axiale Länge aufweist, die geringer als die Länge des ersten und des zweiten Brennstabes ist.

14. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei sowohl die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax als auch die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin nur im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet sind.

15. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, wobei der obere Bereich und der untere Bereich der aufgeteilten Bereiche der zweiten Brennstäbe angereichertes Uran enthalten, und die Bereiche, die die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax und/oder die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin enthalten, im unteren Bereich angeordnet sind, in den das angereicherte Uran eingefüllt ist.

16. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei sowohl die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax als auch die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin nur im unteren Bereich der Brennstoffkassette angeordnet sind.

17. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, wobei der obere Bereich und der untere Bereich der aufgeteilten Bereiche der zweiten Brennstäbe angereichertes Uran enthalten, und die Bereiche, die die maximale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmax und/oder die minimale Konzentration des brennbaren Giftstoffs Gmin enthalten, im unteren Bereich angeordnet sind, in den das angereicherte Uran eingefüllt ist.