DE4113729C2

DE4113729C2 - Kernreaktor-Brennelement für einen Siedewasserreaktor

Info

Publication number: DE4113729C2
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: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: JP3037717B2; US5377247A; DE4113729A1; JPH049796A; BE1006761A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (US-PS 4 251 321).

Es ist möglich, in einem Kernkraftwerk 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-Absorption in einem Resonanzbereich hat, der ein Energiebereich ist, in welchem die Neutronen einer Reso nanzabsorption unterworfen werden.

Wird ein Reaktorkern mit Plutonium beladen, dann wird aufgrund der erwähnten Eigenschaften zum einen der Neu tronenfluß in dem thermischen Bereich vermindert und der Neu tronenfluß im Resonanzbereich bzw. im schnellen Bereich erhöht (das Neutronenspektrum wird härter). Zum anderen wird aufgrund des Anstiegs der Neutronenabsorption im Resonanzbereich der Absolutwert des Blasenkoeffizienten (ausgedrückt durch einen Moderator-Temperaturkoeffizienten), das heißt, die Kernreaktivität infolge der Änderung der Moderatordichte, in einem Siedewasserreaktor (BWR) durch die Änderung des Moderator- Dichtekoeffizienten größer.

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. 9.
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) 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. 10 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 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 emittierte 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.

Aus der US-PS 4 251 321 ist ein gattungsgemäßes Kernreaktor-Brennelement bekannt, bei dem plutoniumhaltige Brennstäbe und plutoniumfreie Brennstäbe nach einem vorgegebenen Schema innerhalb des Brennelements angeordnet sind.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 2 67991 (Patent Abstracts of Japan P-1055, 4. Juni 1990, Bd. 14, Nr. 258) ist ein Kernreaktor-Brennelement bekannt, bei dem einige plutoniumhaltige und plutoniumfreie Brennstäbe mit einem brennbaren Gift versehen sind.

Aus der US-PS 3 799 839 ist es bekannt, bei einem Kernreaktor-Brennelement zum Erreichen einer stationären Reaktivitätsverteilung in einigen Brennstäben brennbares Gift vorzusehen, das in verschiedenen axialen Abschnitten eine unterschiedliche Konzentration aufweist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Kernreaktor-Brennelement zu schaffen, das einen ausreichenden Abschalt-Sicherheitsbereich und eine gute Ausnutzung des Kernbrennstoffs gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch ein Kernreaktor-Brennelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die folgenden Merkmale sind im Zusammenhang der Erfindung von Bedeutung:

(1) Verteilung der Konzentration des spaltbaren Materials und des brennbaren Gifts in den das Brennelement - im folgenden "Brennstoffanordnung" genannt - bildenden Brennstäben in axialer Richtung;
(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.

Diese Merkmale sollen nun näher erläutert werden.

1. Axialverteilung der Brennstoffanordnung

Zunächst soll auf die grundlegende Theorie der Axialverteilung der Uran-Plutonium-Brennstoffanordnung (MOX) eingegangen werden.

(1) Spaltbares Material

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

Zur Verbesserung des Abschalt-Sicherheitsbe reichs des Kerns wird die Kon zentration des spaltbaren Materials im oberen Bereich (Abschnitt) 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 (unterer Abschnitt) klein gehalten, im Vergleich mit dem Mittelbereich (mittlerer Abschnitt) der Brennstoffanordnung, wodurch die Beeinträch tigung des Ausgangs des unteren Kernbereichs vermieden werden kann und der thermische Bereich somit groß wird.

Das Konzept der Verteilung in axialer Richtung kann im Vergleich mit der Verteilungsart von Fig. 11 noch mehr im einzelnen ausgearbeitet werden.

2) Brennbares Gift

Zur 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, wenn das Gift im mittleren Bereich unter gebracht wird.

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 Betriebszyklus 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 wird.

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 Verzerrung 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. 12 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 liegt, bewirkt ein Anstieg des Absolutwerts des Moderator dichtekoeffizienten einen Anstieg der Kernreaktivität während der Abkühlperiode, womit der Sicherheits-Abschaltbereich des Kerns abnimmt (Fig. 9).

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. 13 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.

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.

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. 14 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. 14 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, wodurch während der Leistungsperiode des Kerns ein thermischer Bereich nicht gewährleistet ist. In dem Fall da gegen, daß 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. 15A zeigt das Verhältnis der günstigsten Zahl an die Gadolinium-Verbindung enthaltenden Brennstäben gegenüber der Zahl der MOX-Brennstäbe und Fig. 15B zeigt die günstigste Konzentration der Gadolinium-Verbindung der Brennstäbe mit Gadolinium-Verbindung.

Der unendliche Multiplikationsfaktor einer Brenn stoffanordnung nach der Erfindung ist für diesen Fall in Fig. 16 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 vermischenden 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 der MOX-Brennstäbe höher ist als dasjenige der Uran-Brennstäbe, kann der Innendruck der Brennstäbe hoch werden. Es 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 die Stäbe mit Uran-Brennstoff an den Koordinatenstellen (1, 1), (1, 2), (2, 1), (1, n) und (n, 1) angeordnet, wobei ein Brenn stab, der sich an einer Ecke befindet, welche dem Steuerstab zu gewandt ist, mit der Koordinate (1, 1) bezeichnet wird, und derjenige, der an einer Ecke angeordnet ist, welche der erstgenannten Ecke diagonal entgegengesetzt ist, mit der Koordinate (n, n) bezeichnet wird. Bei einer anderen 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, wobei ein Brennstab, der sich an einer dem Steuerstab zugewandten Ecke befindet, mit der Koordinate (1, 1) bezeichnet wird, und derjenige, der sich an einer der zuerst genannten Ecke diagonal gegenüberliegenden Ecke befindet, mit (n, n) bezeichnet wird.

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. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung (=Brennelement) 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 Brennstoff-Anordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 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. 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 Brennstäben der Anord nung von Fig. 7,

Fig. 9 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Änderung der Kerneigenschaften infolge seiner Be ladung mit MOX-Brennstäben,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Änderung der Kerneigenschaften infolge der Beladung mit MOX- Brennstäben,

Fig. 11 eine Ansicht zur Beschreibung des Grundkonzepts der Anreicherung der Brennstoff-Anordnung und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 12 eine Ansicht zur Erläuterung des Grundkonzepts der Anreicherung der Brennstoffanordnung und der Verteilung der Gadolinium-Verbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 13 eine Ansicht zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Zahl in der gegen einen Wasserstab austauschbaren Brennstäbe und dem Absolutwert des Blasen-Reaktivitätskoeffizienten,

Fig. 14 eine Ansicht der Betriebsweise, darstellend den unendlichen Multiplikationsfaktor von MOX-Brenn stoff und von Uran-Brennstoff,

Fig. 15A eine Ansicht zur Erläuterung des geeignetsten Anteilsverhältnisses an Gadolinium enthaltenden Brennstäben einer MOX-Brennstoffanordnung und

Fig. 15B eine Ansicht zur Erläuterung der geeignetsten Ga dolinium-Konzentration im mit einer Gadolinium- Verbindung beladenen Brennstab,

Fig. 16 eine Ansicht der Betriebsweise, darstellend den unendlichen Multiplikationsfaktor des MOX-Brenn stoffs und des Uran-Brennstoffs,

Fig. 17 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. 18 eine Ansicht zur Erläuterung der Schaffung eines Unterschieds in der Anreicherung im Mittelbereich und im unteren Bereich der Brennstoffanordnung,

Fig. 19 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung für einen D-Gitter-Kern,

Fig. 20 einen Querschnitt durch ein Beispiel der Brenn stoffanordnung für den D-Gitter-Kern,

Fig. 21 eine Ansicht der axialen Struktur der Brenn stoffanordnung von Fig. 20,

Fig. 22 eine Ansicht, darstellend die relative Ausgangs verteilung der entsprechenden Brennstäbe der An ordnung von Fig. 20,

Fig. 23 einen Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung für einen C-Gitter-Kern,

Fig. 24 einen Querschnitt eines Beispiels der Brenn stoffanordnung für den C-Gitter- Kern,

Fig. 25 eine Darstellung der axialen Struktur der Brenn stoffanordnung von Fig. 24 und

Fig. 26 eine Ansicht darstellend die relative Ausgangs verteilung der Brennstäbe der Anordnung von Fig. 24.

Nachfolgend werden nun bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren erläutert.

Die Fig. 1 und 2 stellen eine Brennstoffanordnung (=Brennelement) 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. Derartige Siedewasserreaktoren können einen D-Gitter-Kern, 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, oder einen C-Gitter-Kern aufweisen, 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.

Tabelle 1

Axialposition (von unten her)

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 oder unterer Abschnitt 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 oder mittlerer Abschnitt 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 oder oberer Abschnitt bezeichnet wird.

In ähnlicher Weise ist beim Brennstab 17 ein unterer Abschnitt 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 Abschnitt 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 Abschnitt 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 Abschnitt mit einem Gemisch aus Uran einer An reicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 3,0 Gew.% Gadolinium-Ver bindung beladen. Der mittlere Abschnitt ist mit einem Gemisch aus Uran einer Anreicherung von 3,8 Gew.% U-235 und 2,0 Gew.% Ga dolinium-Verbindung beladen. Der obere Abschnitt 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 2/24 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

Axialposition (von unten her)

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. 17 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 Brennstoffwirtschaftlichkeit aufgrund der er höhten axialen Amplitudenspitze ist klein, wenn der Leerbereich vergrößert wird. Bei einem Siedewasserkern 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 Tabelle 3 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

Axialposition (von unten her)

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 4 und 5 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 4

Axialposition (von unten her)

Tabelle 5

Axialposition (von unten her)

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 6 und 7 wiedergegeben, in welchen die Anord nung der Brennstäbe im wesentlichen gleich ist, wie diejenige von Fig. 1.

Tabelle 6

Axialposition (von unten her)

Tabelle 7

Axialposition (von unten her)

Bei einer Anlage mit brauchbarem Abschalt-Sicherheitsbereich des Kerns kann die Anreicherung einiger gifthaltiger Brennstäbe im oberen Bereich im wesentlichen gleich derjenigen im mittleren Bereich dieser Brennstäbe ge macht werden. Eine derartige Ausführungsform wird durch die nach folgende Tabelle 8 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 8

Axialposition (von unten her)

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. 18 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.

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 der Anteil an brennbarem Gift in den Brennstäben 16, 17 und 18 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 an spaltbarem Material, 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.

Die Fig. 5 und 6 und die Tabelle 9 sowie die Fig. 8 und 9 sowie die Tabelle 10 stellen Ausführungsformen dar, bei denen das brennbare Gift mit MOX-Brennstoff vermischt ist. Bei der erstgenannten Ausführungsform sind diejenigen Brenn stäbe, die brennbares Gift aufweisen und diejenigen Brennstäbe, die unterschiedliche Konzentrationen des zugemischten Plutoniums enthalten, außer den Leerstellen, gesondert angeordnet und bei der letztgenannten Ausführungsform hat ein Teil der Brenn stäbe, in denen brennbares Gift vorhanden ist, unter schiedliche Anteile an Plutonium in den verschiedenen Abschnitten.

Tabelle 9

Axialposition (von unten her)

Tabelle 10

Axialposition (von unten her)

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 weniger als 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, in denen brennbares Gift eingemischt ist, 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.

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 11 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 11

Axialposition (von unten her)

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 12 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 12

Axialposition (von unten her)

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 13 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 13

Axialposition (von unten her)

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.

Fig. 19 zeigt eine Ausführungsform einer Brennstoffanordnung des Reaktorkerns und - im einzelnen - eine MOX-Brennstoffan ordnung 22, die in den D-Gitter-Kern eines Siedewasserreak tors 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 Kühlwassers (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 durch die Verteilung solcher thermischer Neutronenflüsse Φ_th folgendermaßen ausgedrückt:

P α Φ_th×Σ_f. (1)

Dabei bezeichnet Σ_f einen makroskopischen Wirkungsquerschnitt 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. 19 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 19 eine Art von Plutonium-Anreicherung einzu sparen und, demgemäß, die Menge an Plutonium extrem niedrig und nahe Null zu halten.

Die Fig. 20 und 21 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 seitlichen 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 umfassen, 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 umfassen Brennstäbe B₁ und B₂, 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 enthalten U-235 mit 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. 20) ist in Fig. 22 dargestellt. Aus Fig. 22 ist ersichtlich, daß diese Ausgangsleistungsverteilung nahezu identisch mit derjenigen der MOX-Brennstäbe der Fig. 1 und 2 ist.

Die MOX-Brennstäbe A der MOX-Brennstoffanordnung 22A der Fig. 20 und 21 weisen drei Arten von Plutonium-Anreicherungen auf. Fünf Brennstäbe B₁ und B₂, die zwei verschiedene Arten von Anreicherungen aufweisen, werden als Brennstäbe B verwendet. 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. 23 zeigt einen Querschnitt durch eine Brennstoff anordnung 22 für einen C-Gitterkern.

Die MOX-Brennstoffanordnung 22 von Fig. 23 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. 24 und 25 dargestellt. Fig. 24 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 sowie den Brennstäben C 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 einer 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. 26 dargestellt. Aus Fig. 26 ist ersichtlich, daß die Ausgangsleistungsverteilung nahezu identisch mit derjenigen der MOX-Brennstäbe der Fig. 3 und 4 ist.

Die MOX-Brennstäbe A der MOX-Brennstoffanordnung 22A von Fig. 24 und 25 weisen drei Arten von Anreicherung auf 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. Kernreaktor-Brennelement für einen Siedewasserreaktor mit einem Kanalkasten und einer Vielzahl von darin angeordneten Brennstäben, wobei ein erster Teil der Brennstäbe (Typ I) mit einem Uran/Plutonium-Brennstoffgemisch (MOX-Brennstoff) oder mit einem Uran/Plutonium-Brennstoffgemisch und mit angereichertem Uran beladen ist, jedoch kein brennbares Gift enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Teil der Brennstäbe (Typ II) einen oberen Bereich, einen unteren Bereich sowie einen mittleren Bereich zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich aufweist, wobei

- der obere und der untere Bereich im wesentlichen aus natürlichem Uran, abgereichertem Uran oder aufbereitetem Uran bestehen und kein brennbares Gift enthalten,
- der obere Bereich eine Länge von 1/24-2/24 der axialen Länge des Brennstabs und der untere Bereich eine Länge von 1/24 der axialen Länge des Brennstabs aufweist und
- der mittlere Bereich mit angereichertem Uran oder einem Uran/Plutonium-Brennstoffgemisch sowie mit einem brennbaren Gift beladen ist,

daß bei einem Anteil von zumindest 6/14 der Brennstäbe vom Typ II der mittlere Bereich einen oberen Abschnitt, einen mittleren Abschnitt und einen unteren Abschnitt umfaßt, wobei

- im oberen Abschnitt die Konzentration des brennbaren Gifts kleiner als im mittleren Abschnitt und in dem mittleren Abschnitt die Konzentration des brennbaren Giftes kleiner als im unteren Abschnitt ist,
- die Konzentration des spaltbaren Materials im mittleren Abschnitt größer oder gleich der Konzentration des spaltbaren Materials im unteren Abschnitt und größer oder gleich der Konzentration des spaltbaren Materials im oberen Abschnitt ist und
- die Grenze zwischen dem unteren und mittleren Abschnitt zwischen 8/24 und 14/24 der axialen Länge des Brennstabes liegt und die Länge des oberen Abschnitts 3/24-4/24 der axialen Länge des Brennstabes beträgt,

daß die Konzentration des brennbaren Gifts im Bereich von 1 Gew.-% bis 4 Gew.-% liegt, daß

- 15%-22% aller Brennstäbe brennbares Gift enthalten, wenn 20%-50% aller Brennstäbe mit einem Uran/Plutonium-Brennstoffgemisch beladen sind,
- 22%-25% aller Brennstäbe brennbares Gift enthalten, wenn 50%-80% aller Brennstäbe mit einem Uran/Plutonium-Brennstoffgemisch beladen sind, und
- 25%-30% aller Brennstäbe brennbares Gift enthalten, wenn 80%-100% aller Brennstäbe mit einem Uran/Plutonium-Brennstoffgemisch beladen sind.

daß die im mittleren Abschnitt über alle Brennstäbe des Brennelements gemittelte Konzentration an spaltbarem Material höher ist als die im oberen und unteren Abschnitt,

und daß die über alle Brennstäbe vom Typ II gemittelte Konzentration des brennbaren Giftes im oberen Abschnitt kleiner als im mittleren Abschnitt und in dem mittleren Abschnitt kleiner als im unteren Abschnitt ist.

2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Brennstäbe vom Typ I natürliches Uran enthält und daß die Brennstäbe vom Typ I unterschiedliche Mengen an Plutonium enthalten.

3. Kernreaktor-Brennelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Wasserstab mit einer Querschnittsfläche gleich der von vier Brennstäben.

4. Kernreaktor-Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe vom Typ I drei übereinander liegende Bereiche aufweisen, wobei der mittlere Bereich eine Mischung von Plutonium und Uran enthält und der obere und der untere Bereich natürliches Uran, aber kein Plutonium enthalten, und daß der obere Bereich eine Länge von 1/24 bis 2/24 und der untere Bereich eine Länge von 1/24 der axialen Länge des Brennstabes aufweist.

5. Kernreaktor-Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Brennstäbe vom Typ I kürzer als die anderen Brennstäbe sind.

6. Kernreaktor-Brennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von zumindest 6/14 der Brennstäbe vom Typ II in dem oberen, mittleren und unteren Abschnitt dieselben Mengen an Plutonium enthält.

7. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von zumindest 6/14 der Brennstäbe vom Typ II im mittleren Abschnitt mehr Plutonium als im oberen und unteren Abschnitt enthält.

8. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Brennstäbe vom Typ I zwei Abschnitte enthält, wobei der obere Abschnitt eine größere Konzentration an Plutonium als der untere Abschnitt aufweist und der untere Abschnitt eine der axialen Länge des unteren Abschnitts der Typ-II-Brennstäbe entsprechende Länge hat.

9. Kernreaktor-Brennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe vom Typ I abgereichertes Uran, rückgewonnenes Uran oder eines von diesen, vermischt mit natürlichem Uran, enthalten.