DE4113729A1

DE4113729A1 - Brennstoffanordnung eines kernreaktors

Info

Publication number: DE4113729A1
Application number: DE4113729A
Authority: DE
Inventors: Ritsuo Yoshioka; Takeshi Seino; Toru Yamamoto; Yasushi Hirano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1991-10-31
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: DE4113729C2; BE1006761A3; JPH049796A; JP3037717B2; US5377247A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffanordnung eines Leicht wasserreaktors, die Brennstäbe aufweist, welche erfindungsge mäß mit einem Gemisch aus Plutonium und Uran gefüllt sind.

Es ist möglich, in einem Kernkraftwerk eine wirkungsvolle Nutzung vorzunehmen oder die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffs zu verbessern, indem Plutonium (Pu) in einem Leichtwasserreak tor verwendet wird, das man durch Aufbereitung verbrauchten Kernbrennstoffs erhält.

Wird Plutonium als Brennstoff verwendet, dann unterscheiden sich der Kern und seine Eigenschaften von einem Kern, der mit Uran als Brennstoff betrieben wird, weil sich die Kerneigen schaften von Plutoniumbrennstoff von denjenigen von Uranbrenn stoff unterscheiden. Die Hauptunterschiede in den Kerneigen schaften zwischen Plutonium (Pu) und Uran (U) bestehen zum ersten darin, daß der thermische Neutronen-Absorptionsquer schnitt von Pu-239 oder Pu-241 eines spaltbaren Plutonium- Materials zweimal größer ist als derjenige von U-235 eines spaltbaren Uran-Materials, und zum zweiten darin, daß spalt bares Plutonium-Material Pu-240 eine beträchtlich größere Neu tronen-Absorptionsamplitude in einem Resonanzbereich hat, der ein Energiebereich ist, in welchem die Neutronen einer Reso nanzabsorption unterworfen werden.

Wird ein Reaktorkern mit Plutonium beladen, dann ergibt sich aufgrund der erwähnten Eigenschaften zum ersten, daß der Neu tronenfluß in einem thermischen Bereich vermindert und der Neu tronenfluß im Resonanzbereich bzw. im schnellen Bereich erhöht ist, anders ausgedrückt, das Neutronenspektrum wird härter, und zum zweiten, aufgrund des Anstiegs der Neutronenabsorption im Resonanzbereich, daß der Absolutwert des Blasenkoeffizienten (ausgedrückt durch einen Moderator-Temperaturkoeffizienten) in einem Siedewasserreaktor (BWR) durch die Änderung eines Moderator- Dichtekoeffizienten größer wird, etwa die Kernreaktivität in folge der Änderung der Moderatordichte.

Diese Merkmale beeinflussen die Kerneigenschaften in den nach folgend angegebenen Punkten.

1) Die Kernreaktivität in einer Kern, Kühlperiode ist erhöht und der Abschalt-Sicherheitsbereich des Kerns ist ver mindert. Der Grund dafür ergibt sich aus der später zu erläu ternden Fig. 14.
2) Der Sicherheits-Abschaltbereich des Kerns wird durch die Anwesenheit eines brennbaren Gifts, etwa einer Gadolinium- Verbindung (Gd₂O₃) oder Bor (B) oder der Abnahme einer Reaktivi täts-Steuerfähigkeit von Kontrollstäben vermindert.
3) Insbesondere im Fall eines Siedewasserreaktors, in welchem die Moderatordichte sich in Axialrichtung des Kerns beträchtlich ändert, wird die Veränderung der Ausgangsvertei lung in der Kern-Axialrichtung groß, und zwar im Vergleich mit einem Kern, in welchem nur Uranbrennstoff verwendet wird, und der thermische Bereich nimmt ab. Dies wird noch später anhand von Fig. 15 erläutert.

Weil Pu ein radioaktives Material ist und außerdem in chemischer Hinsicht ein giftiges Schwermetall darstellt, muß die Bildung des U-Pu-Gemisches in einer Glühkammer oder Schutzkammer vorge nommen werden. Aus diesem Grund ist die Verwendung nur weniger solcher Brennstäbe mit unterschiedlicher Plutonium-Anreicherung wirtschaftlich, und zwar für die Fertigungsarbeit; außerdem ist sie auch wünschenswert für die Handhabung.

Für den Transport dieses U-Pu-Gemisch-Brennstoffs, nachfolgend kurz MOX-Brennstoff genannt, ist es notwendig, diesen in einem Behälter unterzubringen, der mit einer speziellen Strahlungs abschirmung versehen ist, auch um zu verhindern, daß vom Plu tonium emitierte Strahlung aus der Kernkraftanlage nach außen dringt, wobei die MOX-Brennstoffanordnung fortlaufend einer be sonderen Kontrolle unterworfen wird. Aufgrund dieses Aufwands ist es wünschenswert, nur eine geringere Anzahl von MOX-Brenn stoffanordnungen zu verwenden, auch unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor zu schaffen, die verbesserte Kerneigen schaften gewährleistet, nämlich den thermischen Bereich oder den Abschaltbereich eines Kerns mit Brennstäben, die mit einem Uran-Plutonium-Gemisch als Brennstoff gefüllt sind zu verbes sern, sowie ebenfalls die Brennstoff-Wirtschaftlichkeit bezüg lich Transport und Handhabung.

Gelöst wird diese Aufgabe im wesentlichen durch eine Brenn stoffanordnung für einen Kernreaktor, die einen Kanalkasten und eine Vielzahl von im Kanalkasten angeordneten Brennstäben aufweist, wobei zumindest ein Teil der Brennstäbe mit einem Uran-Plutonium-Brennstoffgemisch beladen ist und wobei in Axialrichtung der Brennstäbe eine Anreicherung an U-235 oder eine Konzentration an Plutonium oder beides in entsprechender Verteilung vorgesehen ist.

Die Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor kann auch so aus gebildet sein, daß ein Kanalkasten und eine Vielzahl von im Kanalkasten angeordneten Brennstäben vorgesehen sind, wobei zu mindest ein Teil der Brennstäbe mit einem Uran-Plutonium-Brenn stoffgemisch beladen und zumindest ein Teil der Brennstäbe mit einem brennbaren Gift versehen ist, und zwar mit einer bestimm ten Verteilung der Konzentration in Axialrichtung der Brenn stäbe.

Weiterhin wird eine Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor geschaffen, die aus einer Vielzahl von Kanalkästen besteht, die durch Steuerstäbe voneinander mit Abstand getrennt sind, wobei die Zwischenräume eine derartige Breite haben, daß die Breite eines einem Steuerstab zugewandten Abstands größer ist als diejenige eines Abstands, der keinem Steuerstab zugewandt ist, und aus einer Vielzahl von Brennstäben besteht, die in den ent sprechenden Kanalkästen gitterartig angeordnet sind, und zwar mit n-Zeilen und n-Spalten (n=eine natürliche Zahl), wobei die Brennstäbe aus Brennstäben mit Uran-Brennstoff an den Stellen (1, 1), (1, 2), (2, 1), (1, n) und (n, 1) und anderen Brenn stäben bestehen, außer Brennstäben mit brennbarem Gift, die mit dem Uran-Plutonium-Brennstoffgemisch beladen sind, wobei ein Brennstab, der an einer einem Steuerstab zugewandten Ecke an geordnet ist, mit der Koordinatenposition (1, 1) und ein Brenn stab, der an einer der erwähnten Ecke diagonal gegenüberlie genden Ecke angeordnet ist, als Brennstab mit der Koordinaten position (n, n) bezeichnet wird.

Weiterhin wird mit der Erfindung eine Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor geschaffen, die aus einer Vielzahl von Kanal kästen besteht, die unter Zwischenschaltung von Steuerstäben mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Abstandsspal te derartige Breiten haben, daß die Breite eines einem Steuer stab zugewandten Spalts größer ist als diejenige eines keinem Steuerstab zugewandten Spalts, und aus einer Vielzahl von Steuer stäben besteht, die gitterartig in den entsprechenden Kanal kästen untergebracht sind und zwar in n-Zeilen und n-Spalten (n=eine natürliche Zahl), wobei die Uranbrennstoff enthal tenden Brennstäbe an den Koordinatenstellen (1, 1), (1, n), (n, 1) und (n, n) angeordnet sind und andere Brennstäbe, außer solchen, mit brennbarem Gift, mit einem Uran-Plutonium- Brennstoffgemisch beladen sind, wobei ein Brennstab, der an einer einem Steuerstab zugekehrten Ecke angeordnet ist, mit der Koordinatenposition (1, 1) bezeichnet wird, und ein sol cher, der an einer diesen Ecken diagonal entgegengesetzten Ecke angeordnet ist, mit der Koordinatenposition (n, n).

Die oben aufgeführten Erfindungsmerkmale können folgender maßen zusammengefaßt werden.

1) Verteilung in axialer Brennstabrichtung der Kon zentration des spaltbaren Materials und des brennbaren Gifts der die Brennstoffanordnung bildenden Brennstäbe;
2) Erhöhung des Verhältnisses des Moderatorbereichs der Brennstoffanordnung zum Brennstoffbereich wobei dieses Verhältnis auch Wasser/Brennstoff-Verhältnis genannt wird;
3) Anzahl der Brennstäbe mit brennbarem Gift bezüglich einer Brennstoffanordnung und Konzentration des brennbaren Gifts;
4) Verwendung von Uran und Uran-Plutoniumgemisch.

Die erwähnten Merkmale sollen nun in Verbindung mit der Er findung noch näher erläutert werden.

1. Axialverteilung der Brennstoffanordnung

Zunächst soll auf die grundlegende Theorie der Axial verteilung der Uran-Plutonium-Brennstoffanordnung (MOX) ein gegangen werden.

1) Spaltbares Material

Vom Standpunkt der Kern-Reaktivität aus wird die Kon zentration des spaltbaren Materials, wie etwa U-235, Pu-239, PU-241, im oberen oder unteren oder beiden Endbereichen der Brennstoffanordnung kleingemacht, wohingegen die Konzentration des spaltbaren Materials im mittleren Bereich der Brennstoffan ordnung hoch gewählt wird, wodurch der Anteil an verwendbaren thermischen Neutronen in einen hohen thermischen Neutronen fluß aufweisenden Mittelbereich des Kerns und darüber hinaus im gesamten Kern vergrößert wird.

Vom Standpunkt einer Verbesserung des Abschalt-Sicherheitsbe reichs des Kerns aus wird in einem bestimmten Fall die Kon zentration des spaltbaren Materials im oberen Bereich der Brennstoffanordnung niedrig gehalten, und zwar im Vergleich mit dem Kern-Mittelbereich. Weil im Leichtwasserreaktor die Moderatordichte im axial oberen Bereich des Kerns hoch ist, und zwar im Vergleich mit derjenigen im unteren Bereich, wählt man die Plutonium-Ansammlung im oberen Bereich des Kerns, in welchem der Abbrand fortschreitet, hoch. Die axiale Ausgangs verteilung in der Kühlperiode hat somit eine Amplitude bzw. obere Spitze und es ist möglich, vorsorglich die Reaktivität im oberen Bereich des Kerns zu vermindern, und zwar aufgrund dieses charakteristischen Merkmals, wodurch die Kern-Reaktivi tät in der Kühlperiode bzw. Abkühlperiode sich vermindert, mit der Folge einer Verbesserung des Abschalt-Sicherheitsbereichs des Kerns.

Bei einem Siedewasserreaktorkern mit starker Moderatordichte veränderung in axialer Kernrichtung ist die Reaktivität im eine hohe Moderatordichte aufweisenden unteren Kernbereich hoch, die axiale Ausgangsverteilung im unteren Kernbereich verzerrt und der thermische Bereich klein. Um nun erfindungs gemäß dieses Problem zu lösen, wird die Konzentration an spalt barem Material im unteren Kernbereich klein gehalten, und zwar gemäß einer bestimmten Ausführungsform im Vergleich mit dem Mittelbereich der Brennstoffanordnung, wodurch die Beeinträch tigung des Ausgangs des unteren Kernbereichs vermieden werden kann und der thermische Bereich somit groß wird.

Die oben erläuterte Art der Verteilung der Konzentration des spaltbaren Materials in axialer Richtung der Brennstoffanord nung kann unabhängige Funktionen und Effekte bewirken, so daß es nicht notwendig ist, diese Arten gemäß der Erfindung voll ständig miteinander zu kombinieren. Das Konzept der Verteilung in axialer Richtung kann im Vergleich mit der Verteilungsart von Fig. 16 noch mehr im einzelnen ausgearbeitet werden.

2) Brennbares Gift.

Mit Hinblick auf eine Verbesserung der Reaktivität eines Kerns kann die Konzentration des im oberen und unteren Bereich der Brennstoffanordnung untergebrachten brennbaren Gifts niedrig gehalten oder sogar zu Null gemacht werden, und zwar im Ver gleich mit dem Fall, daß das Gift im mittleren Bereich unter gebracht wird. In einem bestimmten Fall kann die Konzentration des Gifts im oberen Bereich niedrig sein im Vergleich zum Mit telbereich.

Am oberen und unteren Ende des Kerns schreitet der Abbrand des brennbaren Gifts infolge des niedrigen Neutronenflusses na türlicherweise nicht fort. Demgemäß kann der Betrag (Betrag des Reaktivitätsverlustes) an unverbranntem brennbarem Gift, welches die Reaktivität des Kerns am Ende des Betriebszyklusses des Kerns vermindert, herabgesetzt werden, und zwar durch vorab erfolgendes Vermindern der Konzentration des brennbaren Gifts im oberen und unteren Bereich der Brennstoffanordnung. Weil die Moderatordichte im axial oberen Bereich des Kerns im Ver gleich zum unteren Bereich des Kerns hoch ist, bleibt der ther mische Neutronenfluß niedrig. Weil das für einen Leichtwasser reaktor verwendete brennbare Gift als Hauptbestandteil ein thermische Neutronen absorbierendes Material enthält, schreitet der Abbrand des brennbaren Gifts im axialen Mittelbereich des Kerns kaum fort. Der Betrag des Reaktivitätsverlustes infolge der Anwesenheit an brennbarem Gift kann somit dadurch vermin dert werden, daß vorab die Konzentration an brennbarem Gift im oberen Bereich der Brennstoffanordnung vermindert werden.

Weiterhin existiert der Fall, daß die Konzentration an brenn barem Gift im unteren Bereich der Brennstoffanordnung im Ver gleich zum Mittelbereich hoch gemacht wird, um so den thermi schen Bereich durch Unterdrückung einer Verhinderung des Aus gangs im unteren Bereich des Kerns den thermischen Bereich zu erhöhen, wie dies vorab unter (1) bei Besprechung des spalt baren Materials erläutert worden. Andererseits werden die brenn bares Gift enthaltenden Brennstäbe bezüglich ihrer Anzahl er höht, was in Kombination angewendet werden kann. Diese Maßnah men erniedrigen wirkungsvoll die Reaktivität im unteren Be reich des Kerns und unterdrücken eine Veränderung bzw. Verzer rung des Ausgangs desselben.

Weiterhin gibt es den Fall, daß die brennbares Gift enthalten den Brennstäbe des oberen Bereichs der Brennstoffanordnung zahlenmäßig erhöht werden, um so den Abschalt-Sicherheitsbereich zu verbessern, wie oben unter (1) erläutert worden ist. Dem gemäß kann die Kernreaktivität in der Abkühlperiode vermindert werden, was zu einer Verbesserung des Kern-Abschaltbereichs führt. Das Konzept der axialen Verteilung der Konzentration des brennbaren Gifts, basierend auf der oben beschriebenen Tech nologie, ist in Fig. 17 dargestellt.

2. Wasser/Brennstoff-Verhältnis

Bei einem üblichen Siedewasserreaktor sind etwa zwei Was serstäbe jeder Brennstoffanordnung zugeordnet, so daß nicht siedendes Wasser die Wasserstäbe durchströmt. Wird nun üblicher Brennstoff mit MOX-Brennstoff beladen, beispielsweise derart, daß 50% der Brennstäbe der Anordnung durch Brennstäbe mit MOX- Material ersetzt sind, dann wird dadurch der Koeffizient der Moderatordichte um etwa 20% erhöht. Der Grund dafür liegt im Unterschied der Kerneigenschaften zwischen Uran und Plutonium, wie vorab erläutert worden ist.

Der Unterschied in der Reaktivität der Leistungsperiode und der Abkühlperiode erhöht sich im Verhältnis zum Anstieg des Abso lutwerts des Koeffizienten der Moderatordichte. Weil der effek tive Multiplikationsfaktor des Kerns während der Leistungs periode nahe 1,0 (kritische Bedingung der Kernreaktivität = 0) liegt, bewirkt ein Anstieg des Absolutwerts des Moderator dichtekoeffizienten einen Anstieg der Kernreaktivität während der Abkühlperiode, womit der Sicherheits-Abschaltbereich des Kerns abnimmt (Fig. 14).

Weiterhin, wenn mit Plutonium-Brennstoff beladen wird, dann wird der thermische Neutronenfluß, wie vorab erläutert, er niedrigt, so daß die Effekte des brennbaren Gifts, das ein Material mit starker Absorption der thermischen Neutronen ist, und des Neutronen absorbierenden Materials des Steuerstabs ver mindert werden, mit der Folge, daß auch der thermische Bereich kleiner wird.

Um diese Probleme zu lösen, soll der Fall betrachtet werden, daß die Ersatzfläche des Wasserstabs für die Brennstäbe in der Brennstoffanordnung vergrößert und nicht-siedendes Wasser in den Wasserstab geleitet wird. Damit kann das Wasser/Brennstoff- Verhältnis im Vergleich mit einer üblichen Brennstoffanordnung großgemacht werden, mit der Folge einer Lösung der Probleme. Fig. 18 stellt ein Beispiel eines 8×8 Gitterkerns eines Siedewasserreaktors dar, und zwar zur Erläuterung des Verhält nisses zwischen der Anzahl der ersetzten Brennstäbe und dem Ab solutwert des Blasen-Reaktivitätskoeffizienten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Brennstäbe einer Querschnittsfläche von 6% bezüglich des Gesamt-Querschnitts der Brennstäbe durch einen Wasserstab oder Wasserstäbe ersetzt, womit der Absolutwert des Blasen-Reaktivitätskoeffizienten um etwa 20% erniedrigt wird; im Fall einer Brennstoffanordnung, in welcher etwa 50% MOX-Brennstäbe als Brennstäbe vorgesehen sind, kann der Reaktivitätskoeffizient der Blasen im wesentlichen gleich demjenigen gemacht werden, der durch eine übliche Brenn stoffanordnung erzielt wird, in welcher nur Uranstäbe verwendet sind, so daß ein vergleichbarer Abschalt-Sicherheitsbereich für den Kern gewährleistet ist.

In der vorangehenden Beschreibung ist als Beispiel jeweils ein Siedewasserreaktor herangezogen worden, jedoch bleibt die erwähnte Grundtheorie im wesentlichen gleich, auch wenn die Brennstoffanordnung in einem PWR (Druckwasserreaktor) in wel chem die gleichen Effekte bei Entfernung der Brennstäbe auf treten.

3. Anteil an brennbarem Gift

Im Vergleich zu einem Kern mit nur Uran-Brennstäben wird bei einem Kern mit MOX-Brennstoffanordnung der Effekt des aus einem Material, welches eine starke Absorption thermischer Neu tronen aufweist, bestehenden brennbaren Gifts klein und die Ab brandgeschwindigkeit des brennbaren Gifts wird herabgesetzt, und zwar aufgrund des Unterschieds des Neutronenspektrums. Fig. 19 zeigt den Fall, daß die Gadolinium-Verbindung mit Uran-Brennstä ben als brennbares Gift vermischt ist und zeigt die Abbrand- Änderung des unendlichen Multiplikationsfaktors des MOX-Brenn stoffs und des Uran-Brennstoffs, wobei beide Brennstoffe die gleiche Konzentration an Gadolinium-Verbindung aufweisen und die gleiche Anzahl von Brennstäben mit der Gadolinium-Verbin dung versehen ist. In Fig. 19 stellen die Buchstaben A und A′ die Effekte der Reaktivität der Gadolinium-Verbindung in der ursprünglichen Abbrandperiode dar, wobei eine Abhängigkeit von der Anzahl der Brennstäbe gegeben ist, welche die Gadolinium- Verbindung enthalten. Die Buchstaben B und B′ stellen die Zeit dauern der Reaktivitätseffekte der Gadolinium-Verbindung dar.

Der Reaktivitätseffekt des MOX-Brennstoffs ist in der ursprüng lichen Stufe des Abbrands klein und die Dauer der Reaktivitäts effekte ist lang. Die Reaktivitäten des Brennstoffs in der ur sprünglichen Abbrandphase sind somit in dem Fall hoch, daß die gleiche Zahl von Brennstäben mit Gadolinium-Verbindung verwen det werden als diejenige der Uranstäbe und in einem bestimmten Fall ergibt sich kein brauchbarer Abschalt-Sicherheitsbereich des Kerns. Darüber hinaus kann ein Fall eintreten, in welchem der Ausgang bzw. die Ausgangsleistung des MOX-Brennstoffs hoch gemacht wird, um so während der Leistungsperiode des Kerns keinen thermischen Bereich sicherzustellen. In einem Fall da gegen, bei dem die Konzentration der Gadolinium-Verbindung des MOX-Brennstoffs gleich derjenigen der Uranstäbe ist, bleibt unverbranntes Gadolinium zurück, was zu einem Reakti vitätsverlust und somit zu einer Beeinträchtigung der Brenn stoff-Wirtschaftlichkeit führt.

Bei der Erfindung wird also, wie beschrieben, bezüglich des MOX-Brennstoffs die Zahl der Brennstäbe, in welchen die Ga dolinium-Verbindung in einem höheren Anteil vorhanden ist als in den Uranstäben, erhöht und die Konzentration ernie drigt. Die Zahl der die Gadolinium-Verbindung enthaltenden Brennstäbe und dessen Konzentration hängen von der Reaktivi tät der MOX-Brennstäbe ab, jedoch entspricht bei der Erfin dung der Anteil des MOX-Brennstoffs 3 bis 4 Gew.% der mittle ren Konzentration der gesamten Uran-Brennstoffanordnung. In diesem Fall hängt der günstigste Parameter bezüglich der die Gadolinium-Verbindung enthaltenden Brennstäbe von dem Ver hältnis der Zahl der MOX-Brennstäbe in der Brennstoffanordnung ab. Fig. 20A zeigt das Verhältnis der günstigsten Zahl an die Gadolinium-Verbindung enthaltenden Brennstäben gegenüber der Zahl der MOX-Brennstäbe und Fig. 20B zeigt die günstigste Konzentration der Gadolinium-Verbindung der Brennstäbe mit Gadolinium-Verbindung. Gemäß der Erfindung liegt das Besetzungs verhältnis der MOX-Brennstäbe bezüglich aller Brennstäbe in der Brennstoffanordnung in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,5, das Verhältnis der Zahl der Brennstäbe, in welchen die Gado linium-Verbindung axial enthalten ist, und zwar in einem An teil von mehr als 80%, liegt zwischen 0,15 und 0,23 bezüglich aller Brennstäbe der Brennstoffanordnung, und in dem Fall, daß das Verhältnis der Zahl der MOX-Brennstäbe zwischen 0,5 und 0,8 liegt, ist das Verhältnis der Brennstäbe mit Gadolinium-Ver bindung im Bereich zwischen 0,2 und 0,25, wobei dann die Kon zentration der Gadolinium-Verbindung zwischen 1,5 und 4,0 Gew.% bemessen ist. Der unendliche Multiplikationsfaktor einer Brenn stoffanordnung nach der Erfindung ist für diesen Fall in Fig. 21 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Reaktivität-Eigen schaften der MOX-enthaltenden Brennstäbe im wesentlichen gleich denjenigen gemacht werden können, die Uranstäbe haben, womit ein angemessener Abschalt-Sicherheitsbereich und thermischer Bereich für den Kern sichergestellt wird.

4. Mehrfache Verwendung von mit Plutonium vermischtem Uran

Bei dem mit Plutonium zu vermischendem Uran handelt es sich meist um natürliches Uran. Um den Anteil an natürlichem Uran zu erhalten wird verbrauchtes Uran mit einer U-235 Anreicherung von 0,2 bis 0,3 Gew.% bei der Uran-Anreicherung gebildet oder es wird wiedergewonnenes Uran verwendet, welches durch Aufberei tung des verbrauchten Urans erhalten wird. In anderen Fällen wird Uran in Verbindung mit den erwähnten Uranarten verwendet. Der Anteil an natürlichem Uran kann erniedrigt werden.

Weil das Emissionsverhältnis von Spaltprodukt-Gas (FP) der MOX-Brennstäbe höher ist als dasjenige der Uran-Brennstäbe, kann der Innendruck der Brennstäbe hoch werden. Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird deshalb der Leerbereich (Bereich, in welchem keine Brennstoffpellets vorhanden sind) des MOX-Brennstabs länger gewählt als bei den Uran-Brenn stäben, wodurch der Innendruck der MOX-Stäbe gleich demjeni gen der Uranstäbe gemacht werden kann.

Bei einer Brennstoffanordnung, bei welcher in den entsprechen den Kanalkästen eine Vielzahl von Brennstäben angeordnet ist, und zwar in Gitterform mit n-Zeilen und n-Spalten (n = ist eine natürliche Zahl) und der Spalt zwischen entsprechenden Kanalkästen auf der dem Steuerstab zugewandten Seite groß im Vergleich zu der dem Steuerstab abgewandten Seite ist, werden gemäß der Erfindung die Steuerstäbe mit Uran-Brennstoff an den Koordinatenstellen (1, 1), (1, 2), (2, 1), (1, n) und (n, 1) angeordnet, wohingegen die MOX-Brennstäbe, mit Ausnahme der ein brennbares Gift enthaltenden, werden dort, wo ein Brenn stab sich an einer Ecke befindet, welche dem Steuerstab zu gewandt ist, mit der Koordinatenstelle (1, 1) bezeichnet, und diejenigen, die an einer Ecke angeordnet sind, welche der erstgenannten Ecke diagonal entgegengesetzt ist, werden mit der Koordinatenstelle (n, n) bezeichnet. Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffanordnung, bei welcher die Spalte zwischen den entsprechenden Kanalkästen gleichgroß sind sowohl an den dem Kontrollstab zugewandten als auch an der diesem abgewandten Seite, werden die Brenn stäbe mit Uranbrennstoff an den Koordinatenstellen (1, 1), (1, n), (n, 1) und (n, n) angeordnet, wohingegen die MOX- Brennstäbe, mit Ausnahme derjenigen mit brennbarem Gift, welche sich an einer dem Steuerstab zugewandten Ecke befinden, mit der Koordinatenstelle (1, 1) bezeichnet, diejenigen, die sich an einer der zuerst genannten Ecke diagonal gegenüberliegenden Ecke befinden, mit (n, n).

Aufgrund dieser Anordnung wird der Anteil an Plutonium nicht wesentlich vermindert und die Art der Plutoniumanreicherung ist reduziert, so daß der MOX-Brennstab leicht hergestellt werden kann, was die Wirtschaftlichkeit und die Handhabbar keit der Brennstäbe verbessert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor nach einer ersten Aus führungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Brennstoff-Anreicherung, der Konzen tration an Plutonium und der Verteilung der Gado linium-Verbindung bei den Brennstäben der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Skizze zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Brennstoff-Anreicherung, der Konzen tration des Plutoniums und der Verteilung des Gadoliniums in den Brennstäben der Anordnung von Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine Skizze zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Brennstoff-Anreicherung, der Konzen tration an Plutonium und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung in den Brennstäben nach der Anordnung von Fig. 5,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Brennstoff-Anordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine Skizze zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Brennstoff-Anreicherung, der Konzen tration des Plutoniums und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung in den Brennstäben nach der Anordnung von Fig. 7,

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine Brennstoff-Anordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine Skizze zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Brennstoff-Anreicherung, der Konzen tration des Plutoniums und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung in Brennstäben der Anord nung von Fig. 9,

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine Brennstoff-Anordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung für die Anwendung bei einem Druckwasserreaktor,

Fig. 12 eine Skizze zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Brennstoff-Anreicherung, der Konzen tration des Plutoniums und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung in Brennstäben der Anord nung von Fig. 11,

Fig. 13 einen Querschnitt durch eine modifizierte Aus führung der Anordnung von Fig. 11,

Fig. 14 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abnahme der Kerneigenschaften infolge seiner Be ladung mit MOX-Brennstäben,

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Abnahme der Kerneigenschaften infolge der Beladung mit MOX- Brennstäben,

Fig. 16 eine Ansicht zur Beschreibung des Grundkonzepts der Anreicherung der Brennstoff-Anordnung und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 17 eine Ansicht zur Erläuterung des Grundkonzepts der Anreicherung der Brennstoffanordnung und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 18 eine Ansicht zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Zahl in der gegen einen Wasserstab austauschbaren Brennstäbe und dem Absolutwert des Blasen-Reaktivitätskoeffizienten,

Fig. 19 eine Ansicht der Betriebsweise, darstellend den unendlichen Vervielfältigungsfaktor von MOX-Brenn stoff und von Uran-Brennstoff,

Fig. 20A eine Ansicht zur Erläuterung des geeignetsten Pa rameters eines Gadolinium enthaltenden Brennstabs einer MOX-Brennstoffanordnung und

Fig. 20B eine Ansicht zur Erläuterung der geeignetsten Ga dolinium-Konzentration im mit einer Gadolinium- Verbindung beladenen Brennstab,

Fig. 21 eine Ansicht der Betriebsweise, darstellend den unendlichen Multiplikationsfaktor des MOX-Brenn stoffs und des Uran-Brennstoffs,

Fig. 22 eine Ansicht zur Erläuterung der Eigenschaften des ansteigenden Verhältnisses der Amplitudenspitze des Leistungsausgangs zur axialen Länge des Be reichs aus natürlichem Uran sowie den verbesserten Effekt der Brennstoff-Wirtschaftlichkeit,

Fig. 23 eine Ansicht zur Erläuterung der Schaffung eines Unterschieds in der Anreicherung im Mittelbereich und im unteren Bereich der Brennstoffanordnung,

Fig. 24 ein Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung für einen O-Gitter-Kern nach der Erfindung,

Fig. 25 einen Querschnitt durch ein Beispiel der Brenn stoffanordnung für den D-Gitter-Kern nach der Erfindung,

Fig. 26 eine Ansicht der axialen Struktur der Brenn stoffanordnung von Fig. 25,

Fig. 27 eine Ansicht darstellend die relative Ausgangs verteilung der entsprechenden Brennstäbe der An ordnung von Fig. 25,

Fig. 28 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung für einen C-Gitter-Kern nach der Erfindung,

Fig. 29 einen Querschnitt eines Beispiels der Brenn stoffanordnung für den erfindungsgemäßen C-Gitter- Kern,

Fig. 30 eine Darstellung der axialen Struktur der Brenn stoffanordnung von Fig. 29 und

Fig. 31 eine Ansicht darstellend die relative Ausgangs verteilung der Brennstäbe der Anordnung von Fig. 29.

Nachfolgend werden nun bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren erläutert.

Die Fig. 1 und 2 stellen eine Brennstoffanordnung 22 einer ersten Ausführungsform mit austauschbaren Brennstäben für den Kern eines Siedewasserreaktors dar. Die Brennstoffanordnung 22 weist Brennstäbe 19, einen Kanalkasten 20, einen Wasserstab 10, ein unteres Haltegestänge, ein oberes Haltegestänge und Abstands halter auf. Die oberen und unteren Enden der Brennstäbe 19 und des Wasserstabs 10 werden durch die nicht-gezeichneten oberen und unteren Haltegestänge gehalten. Eine Vielzahl nicht-darge stellter Abstandshalter sind längs der Axialrichtung der Brenn stäbe 19 vorgesehen, um so zwischen den Brennstäben 19 und dem Wasserstab 10 Spalte freizuhalten. Der Kanalkasten 20 ist an einer oberen Halteplatte befestigt, derart, daß er den Außen umfang eines Bündels von Brennstäben 19 umgibt, gehalten durch die Abstandshalter. Ein Kanal-Befestigungselement ist an der oberen Halteplatte befestigt. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen im Kern angeordneten Steuerstab.

Jeder der Brennstäbe 19 wird in der Weise hergestellt, daß in eine an ihren beiden Enden durch einen oberen und einen unteren Stopfen verschlossene Hülle eine Vielzahl von Brennstoff-Pellets eingefüllt wird. Die Brennstoff-Pellets werden in der Weise her gestellt, daß ein Oxyd eines Brennmaterials gesintert wird, das ein spaltbares Material beinhaltet. In der Hülle des Brennstabs ist ein Gasraum gebildet, in welchem sich eine die Brennstoff- Pellets nach unten belastende Feder befindet.

Der Wasserstab 10 ist mit der gleichen Hülle versehen wie die Brennstäbe 19, jedoch ist er nicht mit Pellets gefüllt, sondern mit Löchern versehen, und zwar an den Mantelflächen des oberen und unteren Endbereichs, so daß nicht siedendes Kühlmittel in die Hülle eindringen kann.

Bei einem Siedewasserreaktor sind üblicherweise die Steuerstäbe 21 in Kreuzform ausgebildet und entsprechen vier Bündeln der Brennstoffanordnung zugeordnet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Der Siedewasserreaktor weist einen D-Gitter-Kern auf, in welchem ein Wasserspalt auf derjenigen Seite der Brennstoffan ordnung gebildet ist, die den Steuerstäben 21 zugewandt ist, um so eine Spaltbreite zu erreichen, die größer ist als die jenige eines weiteren Wasserspalts, der an derjenigen Seite der Brennstoffanordnung vorhanden ist, die dem Steuerstab 21 abgewandt ist, und weist einen C-Gitter-Kern auf, bei dem ein Wasserspalt an der Seite der Brennstoffanordnung, welche dem Steuerstab 21 zugewandt ist, derart gebildet ist, daß die Spalt breite gleich derjenigen eines weiteren Wasserspalts ist, der an der Seite der Brennstoffanordnung ausgebildet ist, welche dem Steuerstab 21 abgewandt ist.

Die Brennstoffanordnung 22 vorliegender Ausführungsform ist eine Brennstoffanordnung, die für einen D-Gitter-Kern bestimmt ist. Die Brennstäbe 19 bilden eine Brennstoffanordnung 18, die acht Arten von Brennstäben 11 bis 18 aufweist, wie dies aus Fig. 2 und der Tabelle 1 hervorgeht. Diese Arten von Brenn stäben 11 bis 18 sind so im Kanalkasten 20 angeordnet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die unteren Enden in Fig. 2 und Tabelle 1 zeigen einen mit Brennstoff gefüllten Bereich (nach folgend effektiver Brennbereich genannt) der Brennstäbe und die unteren und oberen Enden haben jeweils eine Länge von 24/24 des effektiven Bereichs des Brennstabs.

Tabelle 1

Table 1

Bei den Brennstäben 11 bis 15 handelt es sich um MOX-Brenn stäbe. Der Brennstab 11 enthält ein Gemisch aus natürlichem Uran (0,71 Gew.% U-235) und Plutonium (8,0 Gew.% Pu). Die Brennstäbe 12, 13, 14 und 15 enthalten ebenfalls ein Gemisch aus natürlichem Uran und 6,5, 5,0, 2,3 bzw. 1,0 Gew.% Plu tonium.

Die Brennstäbe 16, 17 und 18 sind brennbares Gift enthalten de Brennstäbe und ihre oberen und unteren Enden sind mit na türlichem Uran beladen, wobei das obere und das untere Ende jeweils eine Länge von 1/24 der Länge des effektiven Brenn stoffbereichs hat; nachfolgend werden solche Bereiche kurz mit 1/24 Bereiche bezeichnet.

Der Brennstab 16 ist mit einem Brennstoff beladen, der aus einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 3,0 Gew.% Gadolinium-Verbindung besteht, und zwar in einem Bereich, der sich zwischen den Bereichen 1/24 und 10/24 des effektiven Brennstoffbereichs befindet und nach folgend als unterer Bereich bezeichnet wird. Ein weiterer Bereich ist mit einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 4,8 Gew.% U-235 und 2,0 Gew.% Gadolinium-Verbindung be laden, wobei sich dieser Bereich zwischen den Bereichen 10/24 und 20/24 erstreckt und nachfolgend als mittlerer Be reich bezeichnet wird. Schließlich ist ein Bereich mit einem Brennstoff beladen, der aus einem Gemisch aus Uran einer An reicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 1,0 Gew.% Gadolinium-Ver bindung besteht, wobei sich dieser Bereich zwischen den Be reichen 20/24 und 23/24 erstreckt und nachfolgend als oberer Bereich bezeichnet wird.

In ähnlicher Weise ist beim Brennstab 17 ein unterer Bereich mit einem Brennstoff beladen, der aus einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 2,0 Gew.% Gadolinium- Verbindung besteht. Der mittlere Bereich ist mit einem Brenn stoff beladen, der aus einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 4,8 Gew.% U-235 und 2,0 Gew.% Gadolinium-Verbindung besteht.

Der obere Bereich ist mit einem Brennstoff beladen, der aus einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 3,9 Gew.% U-235 und 1,0 Gew.% Gadolinium-Verbindung besteht. Beim Brennstab 18 ist der untere Bereich mit einem Gemisch aus Uran einer An reicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 3,0 Gew.% Gadolinium-Ver bindung beladen. Der mittlere Teil ist mit einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 2,0 Gew.% Ga dolinium-Verbindung beladen. Der obere Bereich schließlich ist mit einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 1,0 Gew.% Gadolinium-Verbindung beladen.

Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 1 hat der Wasserstab einen Querschnitt entsprechend demjenigen von vier Brennstäben und ist im Mittelbereich der Brennstoffanordnung angeordnet. Der Grund dafür, warum das natürliche Uran in den Bereich einer oberen und unteren Länge von 1/24 untergebracht ist, besteht in einer Ver besserung der Effektivität der Verwendung der thermischen Neu tronen im Gesamtaufbau des Kerns.

Die MOX-Brennstäbe 11 bis 15 dieser Ausführungsform haben keine axial unterschiedliche Verteilung und sind deshalb mit geringen Kosten herzustellen, jedoch kann, wie aus Tabelle 2 hervorgeht, der Fall vorgesehen sein, daß die oberen und unteren Enden der MOX-Brennstäbe nur aus natürlichem Uran ohne zugemischtem Plu tonium bestehen, wobei dann der Anteil an Plutonium in den Be reichen 1/24 bis 3/24 so zu erhöhen ist, daß sich ein Ausgleich für das am oberen und unteren Bereich fehlende Plutonium ergibt. Bei dieser Modifikation ist der Anteil an Plutonium in diesem Bereich um etwa 10% erhöht, was zu einer Verbesserung der Ver wendungseffektivität der thermischen Neutronen führt.

Tabelle 2

Table 2

Bei diesen Ausführungsformen haben die Längen der oberen und unteren Bereiche, nachfolgend Leerbereiche genannt, in denen die Konzentration an spaltbarem Material erniedrigt ist, Ab messungen von 1/24, jedoch können diese Längen auch vergrößert oder verkleinert werden. Bei einer Vergrößerung der Länge der Leerbereiche ist die Konzentration an spaltbarem Material im Mittelbereich der Brennstoffanordnung zu erhöhen und die Aus gangsspitze in Axialrichtung ist im Mittelbereich hoch zu wählen, um so den thermischen Bereich klein zu halten. Dem gemäß ist es erforderlich, die Länge der Leerbereiche im Ver hältnis zum thermischen Bereich zu bemessen, in dem Fall je doch, wenn der thermische Bereich groß ist, kann die Länge des oberen Leerbereichs zu 1/24 der Länge des effektiven Be reichs werden.

Gemäß Fig. 22 wird die Kernreaktivität dadurch verbessert, daß die oberen und unteren Leerbereiche natürlichen Urans vergrößert werden, womit auch die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffs ver bessert wird. Jedoch wird dabei die axiale Amplitudenspitze er höht und der thermische Bereich verkleinert. Der Grad der Ver besserung der Brennstoff, Wirtschaftlichkeit aufgrund der er höhten axialen Amplitudenspitze ist klein wenn der Leerbereich vergrößert wird. Bei einem Siedewasserkern, der mehr dem Stan dard entspricht als der beschriebene Kern, kann es angebracht sein, daß der obere Leerbereich eine Länge von etwa 1/24 bis 2/24 der Länge des effektiven Bereichs hat, der untere Leer bereich eine Länge von etwa 1/24 des effektiven Bereichs, und zwar mit Hinblick auf den thermischen Bereich.

Die Fig. 3 und 4 und die Tabellen 3 und 4 stellen eine Ab wandlungsform dar, in welcher der obere Bereich des Brennstabs einen Leerbereich einer Länge von 2/24 der effektiven Länge hat.

Tabelle 3

Table 3

Tabelle 4

Table 4

Die Brennstoffanordnung 22 dieser Ausführungsform kann in einen C-Gitter-Kern eingebracht werden. Die Brennstäbe 31 bis 34 und 37 sind die MOX-Brennstäbe. Der Brennstab 37 hat einen kurzen effektiven Brennstoffbereich, anders als die anderen Brennstäbe. Die Brennstäbe 35 und 36 haben eine Zumischung an brennbarem Gift.

Die Leerbereiche können anstelle von natürlichem Uran aus wieder gewonnenem und aufbereitetem Uran oder aus abgereichertem Uran bestehen. Derartige Ausführungsformen sind in den Tabellen 5 und 6 als Abwandlungen der Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 und der Tabelle 1 dargestellt und die Anordnung des Brennstoffs ist im wesentlichen gleich derjenigen von Fig. 1. Die Auswirkun gen der Orte der Leerbereiche dieser Ausführungsformen sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen bei einem Brennstab, der mit natürlichem Uran beladen ist.

Tabelle 5

Table 5

Tabelle 6

Table 6

Bei den vorangehenden Ausführungsformen beträgt die Anreicherung des Uran-Brennstoffs der Bereiche 20/24 bis 23/24 unterhalb der oberen Leerbereiche der Brennstäbe 16, 17 und 18 etwa 3,8 Gew.%, was gleich ist dem Anreicherungswert der Bereiche 1/24 bis 10/24 unter dem Mittelbereich 10/24 bis 20/24. Dies geschieht zur Ver größerung des Abschalt-Sicherheitsbereichs des Kerns, um jedoch diesen Effekt weiter zu steigern, kann es vorteilhaft sein, die Anreicherung dieser Bereiche weiter zu vermindern oder die Länge dieser Bereiche zu vergrößern. Diese Ausführungsform ist in den folgenden Tabellen 7 und 8 wiedergegeben, in welchen die Anord nung der Brennstäbe im wesentlichen gleich ist, wie diejenige von Fig. 1.

Tabelle 7

Table 7

Tabelle 8

Table 8

Bei einer Anlage mit brauchbarem Abschalt-Sicherheitsbereich des Kerns kann die Anreicherung dieser Bereiche im wesentlichen gleich derjenigen der mittleren Bereiche dieser Brennstäbe ge macht werden. Eine derartige Ausführungsform wird durch die nach folgende Tabelle 9 wiedergegeben, wobei es sich um eine Abwandlungs form der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 sowie der Tabel le 1 handelt und die Anordnung der Brennstäbe im wesentlichen gleich der Anordnung von Fig. 1 ist.

Tabelle 9

Table 9

Bei den vorhergehenden Ausführungsformen ist die Anreicherung der Bereiche 1/24 bis 10/24 der unteren Bereiche der Brennstäbe 16, 17, 18, 35 und 36 niedriger als diejenige des mittleren Be reichs 10/24 bis 20/24. Dies unterstützt eine Vermeidung einer Beeinträchtigung der axialen Ausgangsverteilung des Kerns in dessen unterem Bereich, womit der thermische Bereich vergrößert wird. Dieser Effekt ist auch Fig. 23 entnehmbar und hat im we sentlichen das gleiche Ausmaß dann, wenn die Grenze zwischen unterem Bereich und mittlerem Bereich des Brennbereichs zwischen 8/24 und 14/24 der effektiven Länge liegt. Bei passendem ther mischem Bereich ist es nicht notwendig, solche Grenzen festzu legen und ein abgewandeltes Beispiel dazu ist in Tabelle 10 ge zeigt, in welcher die Anordnung der Brennstäbe im wesentlichen gleich der Anordnung der Brennstäbe von Fig. 1 ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Brennstäbe 1, 17 und 18 im wesentlichen gleich den Brennstäben des Mittelbereichs.

Tabelle 10

Table 10

Weil die Verteilung des spaltbaren Materials bei den vorausgehen den Ausführungsbeispielen nur in den Uranstäben ungleichmäßig ist, also in den Stäben 16, 17, 18, 35 und 36, kann erwartet werden, daß der gleiche Effekt wie beschrieben dann erreicht wird, wenn ein Teil oder alle dieser Brennstäbe durch MOX-Brennstäbe er setzt werden. Eine solche Ausführungsform ist in der folgenden Tabelle 11 wiedergegeben, in welcher die Anordnung der Brenn stäbe der Anordnung von Fig. 1 entspricht.

Tabelle 11

Table 11

Bei dieser Ausführungsform weist jeder Brennstab 12 einen Be reich vom unteren Ende bis 10/24 der effektiven Bereichslänge auf, in welchem 6,3 Gew.% Plutonium mit natürlichem Uran ver mischt sind, einen Bereich 10/24 bis 20/24, in welchem 6,8 Gew.% Plutonium mit natürlichem Uran vermischt ist und schließlich einen Bereich 20/24 bis zum oberen Ende, in welchem 6,3 Gew.% Plutonium mit natürlichem Uran vermischt ist. Bei den Brenn stäben 16, 17 und 18 ist die Anreicherungsverteilung so, daß natürliches Uran vom oberen bzw. unteren Ende bis 23/24 bzw. 1/24 etwa 0,71 Gew.% beträgt und im Bereich zwischen 1/24 und 23/24 etwa 4,3 Gew.%. Die Verteilung des brennbaren Gifts ist im wesentlichen die gleiche wie im Fall der Fig. 1 und 2 und der Tabelle 1. Die Reaktivitäten der entsprechenden Querschnit te der Brennstoffanordnung sind aufgrund der Brennstäbe 12 im wesentlichen gleich dem Fall der Fig. 1 und 2 und der Tabelle 1 und im wesentlichen treten auch gleiche Effekte wie die oben beschriebenen Effekte auf.

Die Verteilung des brennbaren Gifts ist gemäß den Fig. 1 und 2 und der Tabelle 1 so, daß kein brennbares Gift in den Bereichen vom unteren Ende bis 1/24 und vom oberen Ende bis 23/24 der Brenn stäbe 16, 17 und 18 existiert und daß die Verteilung des brenn baren Gifts in den Bereichen 20/24 bis 23/24 bzw. 24/24 der Brenn stäbe 16, 17 und 18 und daß der Anteil an brennbarem Gift in den Bereichen 20/24 bis 23/24 klein ist im Vergleich mit dem mittleren Bereich und dem unteren Bereich von 1/24 bis 20/24. Dies unterstützt die Verminderung von unverbranntem brennbarem Gift und die Abnahme des Reaktivitätsverlustes.

Im unteren Bereich 1/24 bis 10/24 der Brennstäbe 16, 18, 35 und 36 ist die Konzentration des brennbaren Gifts um 1% größer als im Mittelbereich 10/24 bis 20/24 dieser Brennstäbe. Dies unter stützt die Unterdrückung der Störung der Ausgangsleistung im unteren Bereich des Kerns. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 haben die Brennstäbe 16 und 18 die gleiche Verteilung an brenn barem Gift, aber unterschiedliche Verteilungen der Konzentra tion, was daher rührt, daß - weil der Brennstab 18 nahe dem Wasserspalt großer Breite angeordnet ist und sein Ausgang so mit zu einer Steigerung tendiert - die Konzentration niedrig gehalten wird, um so einen Anstieg der Ausgangsleistung zu ver hindern. Wenn der gleiche Brennstab mit Bereichen unterschied licher Konzentrationen des brennbaren Gifts versehen ist, dann ist es aus Herstellungsgründen wünschenswert, daß der Konzen trationsunterschied um mehr als 1% größer ist im Grenzbereich wohingegen vom Standpunkt der Unterdrückung der Ausgangsstörung im unteren Bereich des Kerns es wünschenswert sein kann, daß der Unterschied in der Konzentration etwa 0,5% beträgt. Bei dieser Ausführungsform sind drei Arten von Brennstäben, 16, 17 und 18 vorhanden und der Unterschied in ihren Konzentrationen des brennbaren Gifts liegt bei etwa 0,5% im Durchschnitt. Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wo das brennbare Gift in die Uranstäbe eingemischt ist, kann es wünschenswert sein, das brennbare Gift in die MOX-Brennstäbe einzumischen. Eine solche Ausführungsform ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt und in der folgenden Tabelle 12 erläutert, in welcher der Wasser stab 10 einen Querschnitt aufweist, der im wesentlichen dem jenigen von neun Brennstäben entspricht.

Tabelle 12

Table 12

Gemäß Fig. 6 beinhaltet der Brennstab 45 axiale Bereiche, wo bei die Bereiche 1/24 des oberen und unteren Endes natürliches Uran, der Bereich 1/24 bis 12/24 natürliches Uran, 5,3 Gew.% Plutonium und 3,5 Gew.% Gadolinium-Verbindung als brennbares Gift enthält und der Bereich 12/24 bis 23/24 ein Gemisch aus natürlichem Uran, 5,3 Gew.% Plutonium und 2,5 Gew.% Gadolinium- Verbindung enthält. Der Brennstab 46 weist axiale Bereiche auf, wobei in den Bereichen 1/24 des oberen und unteren Endes natür liches Uran vorhanden ist, in den Bereichen 1/24 bis 12/24 ein Gemisch aus natürlichem Uran und 5,3 Gew.% Plutonium enthält und der Bereich 12/24 bis 23/24 ein Gemisch aus natürlichem Uran, 5,3 Gew.% Plutonium und 3,5 Gew.% Gadolinium als brenn bares Gift enthält.

Die Fig. 7 und 8 und die Tabelle 13 sowie die Fig. 9 und 10 sowie die Tabelle 14 stellen weitere Ausführungsformen dar, bei denen das brennbare Gift mit MOX-Brennstoff vermischt ist. Bei der vorhergehenden Ausführungsform sind diejenigen Brenn stäbe, die brennbares Gift aufweisen und diejenigen Brennstäbe, die unterschiedliche Verteilungen des zugemischten Plutonium enthalten, außer den Leerstellen, gesondert angeordnet und bei der letztgenannten Ausführungsform hat ein Teil der Brenn stäbe, in denen brennbares Gift vorhanden ist, eine unter schiedliche Anteilsverteilung an Plutonium.

Tabelle 13

Table 13

Tabelle 14

Table 14

Bei den vorangehenden Ausführungsformen ist das Verhältnis von Wasser zu Brennstoff, also das Wasser/Brennstoff-Verhältnis, im Vergleich zu üblichen Brennstoffen verbessert. Bei der Aus führungsform von Fig. 1 beispielsweise belegt der Wasserstab eine Fläche entsprechend vier Brennstäben, so daß also etwa 6% der Brennstäbe vom Wasserstab ersetzt sind. Bei den Aus führungsformen nach den Fig. 3 und 5 sind es etwa 9% bzw. 11%. Die Abnahme des Abschalt-Sicherheitsbereichs des Kerns infolge seiner Beladung mit MOX-Brennstäben kann bei diesen Ausführungsformen wirkungsvoll unterdrückt werden.

Bei einem Siedewasserreaktor werden 7 bis 9 übliche Brenn stäbe gegen Brennstäbe mit eingemischtem brennbarem Gift ausgetauscht. Was unter 15% der Gesamtzahl der Brennstäbe entspricht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 beträgt dagegen die Zahl der MOX-Brennstäbe 46, was etwa 77% der Gesamtzahl der Brennstäbe entspricht. Die Zahl der Brenn stäbe, die mit brennbarem Gift vermischt sind, beträgt 14, was etwa 23% der Gesamtzahl der Brennstäbe entspricht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 beträgt die Zahl der MOX- Brennstäbe 58 was etwa 76% der Gesamtzahl der Brennstäbe entspricht; die Zahl der Brennstäbe mit zugemischtem brenn barem Gift ist 18, was etwa 24% der Gesamtzahl der Brenn stäbe entspricht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 be trägt der Anteil der MOX-Brennstäbe 100% und der der Brenn stäbe mit brennbarem Gift etwa 24%.

Die Konzentration der Gadolinium-Verbindung liegt zwischen 1,0 und 3,5 Gew.%. Die Reaktivitätseigenschaften können gleich denjenigen von Uranstäben gemacht werden, und zwar durch ge eignete Bemessung des Anteils an brennbarem Gift, womit ein ausreichender Abschalt-Sicherheitsbereich und ein ausreichen der thermischer Bereich für den Kern sichergestellt sind.

Bei den vorhergehenden Ausführungsformen ist das Uran, dem das Plutonium beigemischt wird, natürliches Uran.

Ausführungsformen, bei denen abgereichertes Uran oder wiederge wonnenes Uran verwendet wird, und zwar an Stelle des natür lichen Urans, werden nachfolgend beschrieben.

Die Tabelle 15 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher das Plutonium mit abgereichertem Uran (U-235 Anreicherung von 0,25 Gew.%) vermischt ist, wobei die Anordnung der Brennstäbe im wesentlichen die gleiche ist wie in Fig. 1. Die Konzentra tion des Plutoniums ist um 0,4 Gew.% bezüglich der Brennstäbe 11 bis 15 erhöht, weil die Erhöhung der Plutoniumkonzentration eine Abnahme der Reaktivität der U-235 Konzentration von 0,71 Gew.% auf 0,25 Gew.% ausgleicht.

Tabelle 15

Table 15

Gemäß dieser Ausführungsform kann der Anteil an natürlichem Uran vermindert werden. Darüber hinaus kann der Anteil an Plu tonium für die Brennstoffanordnung erhöht und damit der Ge samtbetrag der MOX-Brennstoffanordnung erniedrigt werden, so daß die Kosten erniedrigt werden können.

Die Tabelle 16 entspricht einer Ausführungsform, bei der wieder gewonnenes Uran (U-235 Anreicherung von 0,8 Gew.%) verwendet wird, wobei das wiedergewonnene Uran für die Leerbereiche der MOX-Brennstäbe und der Uran-Brennstäbe und den mit Plutonium vermischten Bereich der MOX-Brennstäbe verwendet wird, wodurch natürliches Uran eingespart wird, was aus wirtschaftlichen Grün den sehr vorteilhaft ist.

Tabelle 16

Table 16

Bei diesen Ausführungsformen wird für das mit Plutonium ver mischte Uran stets abgereichertes Uran oder wiedergewonnenes Uran verwendet, jedoch kann eine Abwandlung dahingehend er folgen, daß nur ein Teil ersetzt wird. In diesem Fall können im wesentlichen die gleichen Effekte erreicht werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen geht die Länge der Leerbereiche der Brennstäbe nicht über die Gesamtlänge der Uran-Brennstäbe hinaus, außer bei einigen besonderen Aus führungsformen.

Tabelle 17 zeigt eine Ausführungsform als Modifikation der Fig. 1 und 2, bei welcher der lange Leerbereich des MOX- Brennstabs um 1/48 der Länge des Uran-Brennstabs verlängert ist. Weil der Leerbereich um 1/48 im oberen Bereich des Brenn stabs verlängert ist, wird die Länge des effektiven Brenn bereichs um 1/48 kürzer, und zwar im Vergleich mit einem Uran- Brennstab. Der Innendruck des Brennstabs kann damit gleich demjenigen des Uranstabs gemacht werden, und zwar während des Abbrands, womit ein ruhiger Abbrand gewährleistet ist.

Tabelle 17

Table 17

Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist der obere Leerbe reich des Brennstabs verlängert, aber es kann auch der un tere Leerbereich verlängert werden, womit dann im wesentlichen die selben Effekte erreicht werden.

Der Innendruck des Brennstabs kann dadurch vermindert werden, daß der Leerbereich um einen Betrag verlängert wird, welcher der Verlängerungsstrecke entspricht, aber die Länge des effek tiven Brennbereichs wird damit kürzer, was zu einer Verminde rung der Brennstoffmenge, die in den Kern eingebracht werden kann, führt. Damit vermindert sich die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffs und der thermische Bereich neigt zu einer Redu zierung. Unter Betrachtung eines Ausgleichs dieser Effekte ist es wünschenswert, daß die Verlängerung der Länge der Leer bereiche der MOX-Brennstäbe innerhalb etwa 1/24 der Länge des effektiven Brennbereichs des Uran-Brennstabs liegt.

Es sind Ausführungsformen beschrieben worden, die sich auf einen Siedewasserreaktor beziehen. Nachfolgend sollen nun Aus führungsformen beschrieben werden, die für Druckwasserreaktoren bestimmt sind, und zwar anhand der Fig. 11 und 12 und der Ta belle 18.

Tabelle 18

Table 18

Die gegen die übliche Brennstoffanordnung eines Druckwasser reaktors austauschbare Brennstoffanordnung 22 dieser Ausführungs form weist Brennstäbe 19, eine Instrumenten-Führungshülse 78, eine Steuerstab-Führungshülse 79, Wasserstäbe 10 sowie nicht gezeichnete obere und untere Düsen und Traggitter auf. Die Brennstoffanordnung 22 hat eine Trägerstruktur mit 24 Steuer stab-Führungshülsen 79, eine Instrumenten-Führungshülse 78 und neun Traggitter, die daran angebracht sind. Die Brennstäbe 19 und die Wasserstäbe 10 sind in die Tragstruktur eingefügt. Die Instrumenten-Führungshülsen 78 und die Steuerstab-Führungshül sen 79 sind mit den oberen und unteren Düsen, die nicht gezeigt sind, verbunden. Fig. 12 zeigt ein Viertel der Brennstoffanord nung 22, wobei die anderen Viertel bezüglich der Symmetrieachsen spiegelbildlich angeordnet sind.

Die achsialen Verteilungen der Brennstäbe 71, 72, 73 und 74 sind aus Fig. 12 und Tabelle 17 entnehmbar. Bei der Ausführungs form der Fig. 11 besteht der Wasserstab 10 aus einem Legierungs rohr mit oberen und unteren Enden, die denjenigen der Brenn stäbe entsprechen, aber oben und unten Löcher haben, durch wel che ein Kühlmittel strömt. Fig. 13 stellt eine abgewandelte Ausführungsform von Fig. 12 dar wobei kein Wasserrohr vorhanden ist und Brennstäbe entfernt sind. Diese Anordnungen können auch im wesentlichen die gleichen Effekte bewirken als die bisher be schriebenen Ausführungsformen. Jeder der Brennstäbe 74 weist eine Zumischung an Gadolinium-Verbindung auf, und zwar als brennbares Gift, und die Konzentration der Gadolinium-Verbin dung ist am oberen und unteren Endbereich des Brennstabs 74 Null. Der nicht-verbrannte Teil der Gadolinium-Verbindung am oberen und unteren Endbereich kann somit vermindert werden. Bei der Abwandlungsform von Fig. 13 sind die oberen und unteren End bereiche als Leerbereiche ausgebildet, um so die Reaktivität der Brennstoffanordnung zu verbessern und darüber hinaus das Wasser/Brennstoff-Verhältnis, und zwar durch Verminderung der Brennstäbe oder Ersatz der Brennstäbe durch Wasserstäbe.

Fig. 24 zeigt eine Ausführungsform einer Brennstoffanordnung des Reaktorkerns und - im einzelnen - eine MOX-Brennstoffan ordnung 22, die in den D-Gitter-Kern eines Siedewasserreak tors eines Leichtwasserreaktors eingesetzt werden kann. Die Brennstoffanordnung 22 besteht aus Brennstäben 19, die in n-Zeilen und n-Spalten (n = 8 in dieser Ausführungsform) ange ordnet sind, und zwar in Gestalt eines quadratischen Gitters mit einem Kanalkasten 20 in Form eines quadratischen Quaders.

Die MOX-Brennstoffanordnung 22 für den D-Gitter-Kern ist mit Wasserspalten zur Führung nicht-siedenden heißen Kühlwasser (Austrittswasser) zwischen den Kanalkästen 20 versehen und die Breite des Wasserspalts an der der Einsetzseite der Kon trollstäbe zugewandten Seite ist größer als die Breite der Wasserspalte an der den Kontrollstäben abgewandten Seite, wo bei die Kontrollstäbe in Kreuzform angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist der thermische Neutronenfluß, also die Ausgangs verteilung, jedes Brennstabs 19 vergleichsweise groß in dem Bereich, welcher dem breiten Wasserspalt zugewandt ist, und zwar im Vergleich mit anderen Bereichen. Nimmt man an, daß der Eckbereich der Einsatzseite des Steuerstabs 21 mit dem (1, 1) Steuerstab im Kanalkasten gekoppelt ist und der diagonal gegenüberliegende Teil des Kanalkastens von einem (n, n) Brennstab besetzt ist, dann ergibt sich vom (1, 1) Brennstab ein sehr hoher thermischer Neutronenfluß und die thermischen Neutronenflüsse der Steuerstäbe (1, 2), (2, 1), (1, n) und (n, 1) sind beträchtlich hoch.

Der Leistungsausgang P des Steuerstabs der Brennstoffanordnung 20 wird der Verteilung solcher thermischer Neutronenflüsse folgendermaßen ausgedrückt:

P α Φ_th×Σ_f. (1)

Dabei bezeichnet Σ_f einen makroskopischen Querschnitt eines spaltbaren Materials (Uran, Plutonium). Aus der Gleichung (1) kann der Ausgang P derart abgeleitet werden, daß die relativen Ausgänge zwischen den entsprechenden Brennstäben 19 nicht ex trem unterschiedlich werden, zu welchem Zweck die Anreicherung des Plutoniums entsprechend bemessen wird, die proportionale Nutzung makroskopischen Querschnitt Σ_f ist.

Bei der MOX-Brennstoffanordnung 22 für einen D-Gitter-Kern sind die Brennstäbe B an den Stellen (1, 1), (1, 2), (2, 1), (1, n) und (n, 1) angeordnet und die MOX-Brennstäbe sind für die anderen Brennstäbe 19 vorgesehen, mit Ausnahme der Brenn stäbe, welche brennbares Gift enthalten, wie etwa eine Gado linium-Verbindung. In einer solchen Brennstoffanordnung 22 sind als MOX-Brennstäbe drei Arten von Brennstäben, die spä ter erläutert werden, mit unterschiedlichen Plutonium-An reicherungen vorgesehen und die Plutonium-Anreicherung der MOX-Brennstäbe ist im Vergleich mit der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 auf zwei Arten vermindert; bei dieser Verminde rung wird ein äquivalenter Uran-Brennstab B verwendet. Die Verminderung der in der MOX-Brennstoffanordnung 22 unterge brachten Plutoniummenge ist klein, beispielsweise weniger als 5%. Der Grund dafür ist, daß eine kleinere Anzahl von MOX-Brennstäben A gegen Uranstäbe B ausgetauscht ist und so mit die Plutonium-Anreicherung dieser Bereiche klein ist.

Obwohl in Fig. 24 nicht dargestellt, ist es möglich, daß der Brennstab (1, 1) durch einen Uran-Brennstab gebildet wird und daß die anderen Brennstäbe außer den ein brennbares Gift ent haltenden Brennstäben, durch MOX-Brennstäbe gebildet werden. In diesem Fall ist es möglich, im Vergleich mit der MOX-Brenn stoffanordnung 1B eine Art von Plutonium-Anreicherung einzu sparen und, demgemäß, die Menge an Plutonium extrem niedrig und nahe Null zu halten.

Die Fig. 25 und 26 stellen Ausführungsbeispiele einer MOX-Brenn stoffanordnung 22A für einen D-Gitter-Kern dar, wobei austausch bare Brennstäbe in den D-Gitter-Kern eines Siedewasserreaktors vom Leichtwassertyp eingebracht werden.

Die Brennstoffanordnung 22A weist ein Bündel von Brenn stäben 19 auf, die in einem Kanalkasten 20 in n-Zeilen und n-Spalten (n = 8 bis 10) in quadratischer Anordnung vorgesehen sind und von nicht gezeichneten Abstandhal tern getragen werden. Das Wasserrohr 10 ist wiederum im wesentlichen im Mittelbereich des Kanalkastens 20 angeordnet. Die oberen und unteren Enden des Wasserrohrs 10 und der Brennstäbe 19 werden durch obere und untere Halte platten gelagert, die nicht dargestellt sind. Eine Viel zahl von Abstandhaltern sind vorgesehen, und zwar in axia ler Richtung der Brennstäbe 19 und sind mit Abstandhal tern ausgerüstet, um so die Abstände zwischen Wasserrohr und Brennstäben 19 konstant zu halten. Bei der Brennstoff anordnung 22A sind die Steuerstäbe 21 kreuzförmig angeord net.

Jeder der Brennstäbe 19, auch wenn nicht dargestellt, be steht aus einer Hülle, in welche eine Vielzahl von Brenn stoff-Pellets eingefüllt ist, wobei die oberen und unteren Enden durch Stopfen abgedeckt sind. Die Brennstoff-Pellets werden durch Sintern von Brennstoff mit Oxiden erhalten und weisen spaltbares Material auf. Die Brennstoff-Pellets werden durch eine Feder nach unten belastet, die im Gas- Leerraum der Hülle untergebracht ist.

Der Wasserstab 10 besteht aus einer Hülle, welche aus dem gleichen Material besteht wie die Hülle des Brennstabs 19, jedoch ist in das Wasserrohr 10 kein Brennstoffmaterial eingefüllt. Das Wasserrohr 10 ist mit oberen und unteren Bereichen versehen, welche in ihren zeitlichen Oberflächen Löcher haben, durch welche nicht-siedendes Kühlmittel in das Innere des Wasserrohrs 10 fließt.

Die MOX-Brennstoffanordnung 22A, die in einem D-Gitterkern eingesetzt wird, stellt eine Kombination aus MOX-Brennstäben A und Uran-Brennstäben B dar, wobei die MOX-Brennstäbe A Brennstäbe A₁ beinhalten, in denen das Plutonium als Brenn stoff in einem Anteil von 9,5 Gewichtsprozent, beispiels weise, enthalten ist, und zwar zusammen mit natürlichem Uran (U-235, 0,71 Gewichts%). Außerdem sind MOX-Brenn stäbe A₂ und A₃ vorgesehen, in welchen 3,9 Gewichtsprozent bzw. 3 Gewichtsprozent Plutonium dem natürlichen Uran zuge mischt ist. Die Uran-Brennstäbe weisen Brennstäbe B₁ und B₂ auf, welche U-235 als Brennstoff enthalten, und zwar mit Anreicherungen von 3,5 bzw. 2,5 Gewichtsprozent. Die Brenn stäbe C sind Uran-Brennstäbe, enthaltend brennbares Gift, nämlich eine Gadolinium-Verbindung, und bestehen aus U-235 einer Anreicherung von 4,9 Gewichtsprozent bzw. 4,4 Gewichts prozent, vermischt mit einer Gadolinium-Verbindung (GD₂, O₃).

Die relative Ausgangsleistungsverteilung über den Querschnitt jedes Brennstabs 19 im Bereich 1/24 bis 20/24 der MOX-Brenn stoffanordnung 22A (Fig. 6) ist in Fig. 27 dargestellt. Aus Fig. 27 ist ersichtlich, daß diese Ausgangsleistungsverteilung nahezu identisch mit derjenigen der MOX-Brennstäbe der Fig. 1 und 2 ist.

Der MOX-Brennstab A der MOX-Brennstoffanordnung 22A der Fig. 25 und 26 hat drei Arten von Plutonium-Anreicherungen und fünf Brennstäbe B₁ und B₂ mit drei Arten von Brennstäben, die unterschiedliche Anreicherungen haben, und zwar unter schiedlich zu den Brennstäben B. Bei der MOX-Brennstoffanord nung 22A ist die Art der Plutonium-Anreicherung in zwei Fäl len im Vergleich mit der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 vermindert.

Die Fig. 2B zeigt einen Querschnitt durch eine Brennstoff anordnung 22 für einen C-Gitterkern.

Die MOX-Brennstoffanordnung 22 von Fig. 28 ist in einen C-Gitterkern eines Reaktors einzusetzen und ist mit Wasserspalten versehen, welche die gleiche Breite zwischen den entsprechen den Kanalkästen 20 aufweisen, so daß die Brennstäbe an den vier Ecken (1, 1), (1, n), (n, 1) und (n, n) einen relativ an steigenden thermischen Neutronenfluß haben. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet wiederum ein Wasserrohr.

Bei der MOX-Brennstoffanordnung 22 bestehen die an den vier Koordinatenecken (1, 1), (1, n), (n, 1) und (n, n) angeordneten Brennstäbe aus Uran-Brennstäben B wohingegen die anderen Brennstäbe 19 aus MOX-Brennstäben A bestehen, mit Ausnahme der Brennstäbe, die brennbares Gift enthalten. Bei dieser Ausführungsform gibt es drei Arten von Plutonium-Anreicherungen der MOX-Brennstäbe A und eine Art davon ist im Vergleich mit üblichen MOX-Brennstäben bezüglich der Anreicherung ver mindert, womit sich eine Plutonium-Verminderung von weniger als etwa 5% für jede MOX-Brennstoffanordnung 22 ergibt. Wenn die Plutonium-Verminderung 5% überschreitet, dann ist es erforderlich, die Zahl der MOX-Brennstoffanordnungen im C-Gitterkern zu erhöhen, was jedoch die Brennstoff-Wirtschaft lichkeit verschlechtern kann.

Ein Beispiel einer solchen MOX-Brennstoffanordnung für einen C-Gitterkern ist in den Fig. 29 und 30 dargestellt. Fig. 29 zeigt die MOX-Brennstoffanordnung 22A im Kanalkasten 20, wo bei die Brennstäbe 19 in neun Zeilen und neun Spalten qua dratisch angeordnet sind und wobei zwei Wasserrohre 10 vorge sehen sind, die sich im wesentlichen im Mittelbereich befin den.

Die Brennstäbe 19 im Kanalkasten 20 bestehen aus Uran-Brenn stäben B an den entsprechenden Ecken des Kanals 20 und MOX- Brennstäben A, außer den Brennstäben mit brennbarem Gift. Die MOX-Brennstäbe A bestehen aus Brennstäben A₁ und A₄, in welchen das Plutonium als Brennstoff in einem Anteil von beispielsweise 9,0 Gewichtsprozent vorhanden ist, und zwar zusammen mit natürlichem Uran (U-235, 0,71 Gewichtsprozent).

Weiterhin sind MOX-Brennstäbe A₂ und A₃ vorgesehen, in welchen das Plutonium in einem Anteil von 7,5 Gewichtsprozent bzw. 5,3 Gewichtsprozent mit dem natürlichen Uran vermischt ist. Die Uran-Brennstäbe bestehen aus Brennstäben B mit U- 235 als Brennstoff, wobei die Anreicherung 4,5 Gewichtspro zent beträgt. Die Brennstäbe C sind Uran-Brennstäbe mit brennbarem Gift, beispielsweise Gadolinium-Verbindung, und bestehen aus U-235 mit Anreicherungen von 4,9 bzw. 4,4 Gewichtsprozent und einer zugemischten Gadolinium-Verbindung (Gd₂O₃).

Die relative Ausgangsleistungsverteilung über den Querschnitt jedes Brennstabs 19 ist für den Bereich 1/24 bis 20/24 der MOX-Brennstoffanordnung 22A in Fig. 31 dargestellt. Aus Fig. 31 ist ersichtlich, daß die Ausgangsleistungsverteilung nahezu identisch mit derjenigen der MOX-Brennstäbe der Fig. 3 und 4 ist.

Der MOX-Brennstab A der MOX-Brennstoffanordnung 22A von Fig. 29 und 30 hat drei Arten von Anreicherungen und eine Art oder zwei Arten unterschiedlicher Anreicherung der Brennstäbe und werden als Uran-Brennstäbe B verwendet. Die Art der Plutonium- Anreicherungen ist in einem oder in zwei Stäben im Vergleich mit der Ausführungsform üblicher Brennstäbe vermindert.

Bei der Brennstoffanordnung nach dieser Ausführungsform ist im Fall der Verwendung für einen D-Gitterkern die Anordnung so, daß die an den Stellen (1, 1), oder an den Stellen (1, 1), (1, 2), (2, 1), (1, n), (n, 1) und (n, n) befindlichen Brennstäbe Uranstäbe sind, während die anderen Brennstäbe MOX-Brenn stäbe sind, ausgenommen diejenigen Brennstäbe, die brenn bares Gift enthalten. Die Art der Plutonium-Anreicherungen kann somit vermindert werden, fast ohne dabei die Plutonium menge je Brennstoffanordnung gegenüber üblichen MOX-Brenn stoffanordnungen zu ändern. Weil es nicht notwendig ist, viele Arten von MOX-Brennstäben mit unterschiedlichen Plu tonium-Anreicherungen herzustellen, kann die etwas schwierig zu handhabende MOX-Brennstoffanordnung leicht hergestellt werden, was die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffs erhöht und die Handhabung der MOX-Brennstäbe erleichtert.

Claims

1. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor, mit einem Kanalkasten und mit einer Viel zahl von Brennstäben, die im Kanalkasten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Brenn stäbe mit einem Brennstoff beladen sind, der ein Gemisch aus Uran und Plutonium ist, und daß in Axialrichtung der Brennstäbe eine Anreicherung von U-235 und/oder eine Kon zentration von Plutonium in vorgegebener Verteilung vor gesehen ist.

2. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Brennstäbe mit einem brennbaren Gift beladen ist, wobei das brennbare Gift eine Konzentrationsverteilung in axialer Richtung der Brennstäbe hat.

3. Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe mit axialer U-235 Anreicherungsverteilung und die Brennstäbe mit axialer Konzentrationsverteilung an brennbarem Gift kein Plutonium enthalten.

4. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe, in welchen die Anreicherung an U-235 längs der Axialrichtung des Brenn stabs verteilt ist, kein Plutonium enthalten.

5. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe aus mit einem Uran-Plutonium-Gemisch beladenen Brennstäben und aus Uran-Brennstäben ohne brennbares Gift bestehen, wobei jeder der Uran-Brennstäbe mit oberen und unteren Bereichen ver sehen ist, deren Länge 1/24 der Länge des effektiven Be reichs des Brennstabs entspricht, wobei die oberen und un teren Bereiche mit natürlichem Uran beladen sind, zumindest ein Teil der Brennstäbe einen Anreicherungsbereich, außer dem oberen und unteren, durch einen mittleren Bereich ge trennten Bereich aufweisen, und wobei die oberen und unteren Bereiche eine Anreicherung besitzen, die geringer ist als diejenige des mittleren Bereichs, und daß die Konzentration an brennbarem Gift im oberen, mittleren und unteren Bereich in dieser Reihenfolge graduell abnimmt.

6. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mit dem Uran- Plutonium-Gemisch beladenen Brennstäbe mit einem Leerbereich versehen ist, der um maximal 15 cm länger ist als ein Uran- Brennstab.

7. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Brennstäbe mit einer Gesamt-Querschnittsfläche von mehr als 6% der Quer schnittsfläche aller im Kanalkasten angeordneten Brennstäbe zusammen ersetzt sind durch einen Wasserstab, durch den nicht siedendes Wasser fließt, oder entfernt werden, um so einen brennstofffreien Bereich für die Wasserströmung freizulassen.

8. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Anzahl der mit brennbarem Gift beladenen Brennstäbe zur Gesamtzahl der Brennstäbe zwischen 0,15 und 0,22 liegt, und zwar im Fall eines Verhältnisses der Zahl der mit Uran-Plutonium- Gemisch beladenen Brennstäbe zur Gesamtzahl der Brennstäbe zwischen 0,2 und 0,5, und daß das erstgenannte Verhältnis zwischen 0,18 und 0,25 im Fall des zweitgenannten Verhält nisses von 0,5 bis 0,8 liegt, und schließlich zwischen 0,2 und 0,3 im Fall von 0,8 bis 1,0 und wobei die Konzentration des brennbaren Gifts, das in einen Bereich eingebracht ist, der mehr als 80% axiale Länge hat, zwischen 1,0 und 4,0 Gewichtsprozent liegt.

9. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Uran-Plutonium- Gemisch beladenen Brennstäbe solche Brennstäbe beinhalten, bei denen das mit dem Plutonium zu vermischende Uran ein abgereichertes Uran von U-235 ist, und zwar mit einem Ge wichtsprozentsatz niedriger als derjenige natürlichen Urans oder solche Brennstäbe, die natürliches Uran, aufbereitetes und wiedergewonnenes Uran oder abgereichertes Uran enthalten, oder solche Brennstäbe, die Kombinationen der vorerwähnten Brennstoffe enthalten.

10. Brennstoffanordnung eines Kernreaktors, mit einem Kanalkasten und mit einer Vielzahl von im Kanalkasten untergebrachten Brennstäben, dadurch ge kennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Brennstäbe mit einem Gemisch aus Uran und Plutonium beladen ist und daß zumindest ein Teil der ein brennbares Gift enthaltenden Brennstäbe eine Konzentrationsverteilung in axialer Rich tung der Brennstäbe aufweist.

11. Brennstoffanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem axial verteil ten brennbaren Gift beladenen Brennstäbe kein Plutonium enthalten.

12. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor, mit einer Vielzahl von Kanalkästen, die durch Steuerstäbe voneinander in Abstand gehalten sind, wobei die Spalte derartige Breiten haben, daß die Breite eines dem Steuerstab zugewandten Spalts größer ist als die jenige eines dem Steuerstab abgewandten Spalts, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Brennstäben in den entsprechenden Kanalkästen gitterartig mit n-Zeilen und n-Spalten angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist, daß die Uran enthaltenden Brennstäbe an den Koordinaten stellen (1, 1), (1, 2), (2, 1), (1, n) und (n, 1) angeordnet sind und daß die anderen Brennstäbe, außer die mit einem brennbaren Gift beladenen Brennstäbe mit dem Uran-Plutonium- Gemisch beladen sind, wobei ein an einer Eckposition gegen über dem Steuerstab angeordneter Brennstab als Koordinaten stab (1, 1) und ein dazu diagonal angeordneter Brennstab als Koordinatenstab (n, n) bezeichnet ist.

13. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor mit einer Vielzahl von Kanalkästen, die durch Steuerstäbe voneinander getrennt sind, wobei dazwischen Spalte entstehen, deren Breiten so sind, daß die Breite eines dem Steuerstab zugewandten Spalts größer ist als die eines dem Steuerstab abgewandten Spaltes, daß eine Vielzahl von Brennstäben in den entsprechenden Kanalkästen gitterartig mit n-Zeilen und n-Spalten vorgesehen sind, wobei n eine natürliche Zahl ist, und daß die Uran enthal tenden Brennstäbe an den Koordinatenstellen (1, 1), (1, n), (n, 1), und (n, n) angeordnet sind, wohingegen die anderen Brennstäbe, außer die Gift enthaltenden Brennstäbe, mit dem Uran-Plutonium-Gemisch beladen sind, wobei ein Brenn stab, der an einer dem Steuerstab zugewandten Ecke positio niert ist, mit (1, 1) bezeichnet wird, ein diesen an einer diagonal gegenüberliegenden Ecke angeordneter Brennstab da gegen als (n, n) Koordinatenstab bezeichnet wird.