DE60205546T2

DE60205546T2 - Ein MOX-Kernbrennstabbündel für einen thermischen Kernreaktor

Info

Publication number: DE60205546T2
Application number: DE60205546T
Authority: DE
Inventors: Takafumi Anegawa; Shin Takizawa; Shinya Saiwai-ku Mizokami
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2022-02-16
Also published as: EP1280164A1; EP1280164B1; DE60205546D1; US6658078B2; US20030026380A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine MOX-Kernbrennstoffanordnung, die für einen thermischen Neutronen/Leichtwasserreaktor verwendbar ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine solche MOX-Brennstoffanordnung ist aus EP 0 554 451 A1 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine MOX-Brennstoffanordnung für einen thermischen Neutronentypreaktor mit einer Vielzahl von Kernbrennstäben in einem Kanalbehälter. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffanordnung eine Struktur auf, bei der 30% der Kernbrennstäbe MOX-Brennstäbe mit einer Art von Anreicherungsgrad von spaltbarem Pu sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch der Anreicherungsgrad von spaltbarem Pu als 4,5% ausgewählt. Die anderen Ausführungsbeispiele richten sich auf Brennstoffanordnungen mit MOX-Brennstäben mit verschiedenen Arten von Anreicherung an Pu.
WO 98/14957 A offenbart eine Brennstoffanordnung mit einer Vielzahl von Brennstäben, wobei die Anordnung eine erste Brennstabart, die mit Mischoxidbrennstoff versehen ist, und eine zweite Brennstabart, die mit Mischoxidbrennstoff in Verbindung mit einem Neutronengift versehen ist, umfaßt. Das Mischoxid und das Neutronengift werden in einer zweiten Brennstabart innig vermischt und zwischen 50 und 100% der Umfangsbrennstäbe der Anordnung sind von der zweiten Stabart.
Kernreaktoren, die im Stand der Technik zur Verfügung stehen, sind überwiegend thermische Neutronenreaktoren, bei denen der Kernbrennstoff eine Vielzahl von angereicherten UO₂-Pellets sind, die mehr spaltbares U²³⁵ enthalten als das natürliche U, und der Moderator/das Kühlmittel leichtes Wasser ist. Um zu verhindern, daß eine chemische Reaktion zwischen den UO₂-Pellets und dem leichten Wasser auftritt, sind scheibenförmige UO₂-Pellets mit einem ungefähren Durchmesser von 1 cm und einer ungefähren Höhe von 1 cm in einem Rohr gestapelt, das aus einem Zirkaloy-Mantel besteht, wobei das Zircaloy-Rohr mehrere geformte UO₂-Pellets einschließt, was Kernbrennstab genannt wird. Entlang der Außenfläche der Kernbrennstäbe wird Wasser für den Zweck, daß es als Moderator/Kühlmittel wirkt, fließen lassen. Ein Leichtwasserreaktor mit einer Kapazität von z.B. 1100 MW weist nicht weniger als 50000 Kernbrennstäbe auf, die im Reaktorkernhohlraum mit einem Durchmesser von ungefähr 5 m parallel zueinander angeordnet sind, wobei ein Raum verbleibt, um Wasser zwischen jedem Kernbrennstab fließen zu lassen. Da die Anzahl der Kernbrennstäbe so groß ist, ist es unzweckmäßig, sie einzeln zu behandeln. Folglich wurde ein Konzept zum Gruppieren einer gewissen Anzahl von Kernbrennstäben, z.B. 60 bis 100 Kernbrennstäben, hervorgebracht und die Gruppe von Kernbrennstäben wurde als Kernbrennstoffanordnung definiert. Ein Leichtwasserreaktor mit einer Kapazität von z.B. 1100 MW weist ungefähr 760 Kernbrennstoffanordnungen auf. Mehrere Räume verbleiben zwischen ihnen, um Wasser darin fließen zu lassen und zu ermöglichen, daß Kontrollstäbe, die aus Borstäben und anderem bestehen, darin angeordnet werden.
Die Anforderungen für die vorangehende Kernbrennstoffanordnung sind nachstehend tabellarisch dargestellt.

1. Der Abbrand einer Kernbrennstoffanordnung muß ausreichend groß sein, z.B. 40 bis 55 GWd/Tonne während der tatsächlichen Lebensdauer von 4 bis 5 Jahren.
2. Die Verteilung der Volumenleistungsdichte oder tatsächlich die Wärmeverteilung im Reaktorkern muß für den gesamten Raum jeder Kernbrennstoffanordnung und folglich für den gesamten Raum des Reaktorkerns gleichmäßig sein.
3. Jede Kernbrennstoffanordnung muß haltbar sein, um die Spaltungsprodukte innerhalb der Kernbrennstoffanordnung sicher einzugrenzen.

Mit Bezug auf eine Zeichnung wird eine beispielhafte Anordnung von Kernbrennstäben in einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie für einen thermischen Reaktor verwendet wird, der UO₂ als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel verwendet, nachstehend beschrieben.
Mit Bezug auf 1, die einen horizontalen Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung darstellt, die so ausgelegt ist, daß sie für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor verwendet wird, der im Stand der Technik zur Verfügung steht, zeigen die Symbole 1, 2, 3, 4 und 5 5 unabhängige Arten von UO₂-Kernbrennstäben. Jede Art von UO₂-Kernbrennstäben enthält UO₂-Kernbrennstoff, dessen Anreicherungsgrad zueinander gleich ist, oder der UO₂-Kernbrennstoff, der in einer Art von UO₂-Kernbrennstäben enthalten ist, weist einen einzigen Anreicherungsgrad auf, obwohl der Anreicherungsgrad für jede Art unterschiedlich ist. Der Anreicherungsgrad ist vom Symbol 1 zum Symbol 5 verringert. Die Mengen der Symbole 1, 2, 3, 4 und 5 sind 10, 30, 4, 24 bzw. 4. Jeder der UO₂-Kernbrennstäbe weist eine Länge von ungefähr 4 m und einen Außendurchmesser von ungefähr 11 mm auf. Die Kernbrennstoffanordnung weist einen Querschnitt auf, der ein Quadrat ist, dessen Länge von jeder Seite ungefähr 15 cm ist. Das Symbol W zeigt einen Wasserstab mit Seiten von ungefähr 4 cm. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind UO₂-Kernbrennstäbe mit einem höheren Anreicherungsgrad im allgemeinen in der Mitte des Reaktorkerns angeordnet und jene mit geringeren Anreicherungsgraden sind das Symbol 1 umgebend angeordnet, um den Anreicherungsgrad im äußeren Raum allmählich geringer werden zu lassen.
Die Anordnung von Kernbrennstäben in der Kernbrennstoffanordnung, die für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor ausgelegt ist, ist nachstehend zusammengefaßt.

1. Viele Arten von UO₂-Kernbrennstäben, von denen jede Art im Anreicherungsgrad des Kernbrennstoffs voneinander verschieden ist, werden verwendet.
2. Der Anreicherungsgrad des in jeder Art der UO₂-Kernbrennstäbe enthaltenen UO₂-Kernbrennstoffs ist gleich und der Anreicherungsgrad ist so ausgewählt, daß er die Anforderungen erfüllt, daß die Verteilung der Volumenleistungsdichte oder tatsächlich die Wärmeverteilung im Reaktor für den gesamten Raum jeder Kernbrennstoffanordnung und folglich für den gesamten Raum des Reaktorkerns gleichmäßig gemacht wird.

Es ist gut bekannt, daß U²³⁵, das im UO₂-Kernbrennstoff enthalten ist, zur Erzeugung von Wärme durch Spaltung beiträgt, und U²³⁵, das im UO₂-Kernbrennstoff enthalten ist, Neutronen absorbiert und in Isotope einer höheren Ordnung oder mit einer höheren Atomzahl übergeht, z.B. Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ oder Pu²⁴².
Da Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ allein spaltbar sind, sind sie zum Bewirken einer Spaltung entweder im derzeit verwendeten Reaktor oder in anderen Reaktoren verwendbar, nachdem Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ von deren verbrauchtem Brennstoff durch einen Wiederaufbereitungsprozeß für verbrauchten Brennstoff wiedergewonnen werden.
Ein Gemisch von Oxiden der vorangehenden Isotope einer höheren Ordnung als U²³⁵ oder mit einer höheren Atomzahl als U, z.B. Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ und Pu²⁴², und von Oxiden von U wird MOX-Kernbrennstoff genannt, der für einen Mischoxid-Kernbrennstoff steht.
Gemäß dem vorangehenden Hintergrund wurde ein Konzept eines Kernreaktors hervorgebracht, dem es möglich ist, entweder ein Oxid von UO₂ allein oder einen MOX-Kernbrennstoff zu verwenden. Eine MOX-Kernbrennstoffanordnung, die aus dem MOX-Kernbrennstoff hergestellt wird, ist die Aufgabe dieser Erfindung.
Mit Bezug auf eine Zeichnung wird eine beispielhafte Anordnung von Kernbrennstäben in einer MOX-Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie für einen thermischen Reaktor verwendbar ist, dem es möglich ist, entweder UO₂ allein oder MOX-Kernbrennstoff zu verwenden, nachstehend beschrieben.
Mit Bezug auf 2, die einen horizontalen Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung darstellt, die so ausgelegt ist, daß sie entweder für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor, der im Stand der Technik zur Verfügung steht, oder für einen MOX-Kernbrennstoff/Leichtwasser-Reaktor, der im Stand der Technik zur Verfügung steht, verwendbar ist, zeigen die Symbole P₁, P₂, P₃ und P₄ 4 unabhängige Arten von MOX-Kernbrennstäben. Jede Art von MOX-Kernbrennstäben enthält spaltbares Pu mit einem einzigen Anreicherungsgrad oder demselben Anreicherungsgrad. Der Anreicherungsgrad von spaltbarem Pu unterscheidet sich für jede Art von Kernbrennstäben und ist vom Symbol P₁, bei dem der Anreicherungsgrad von spaltbarem Pu ungefähr 5% ist, zum Symbol P₄, bei dem der Anreicherungsgrad von spaltbarem Pu viel geringer ist, verringert. Die Anzahl von MOX-Kernbrennstäben, die durch die Symbole P₁, P₂, P₃ und P₄ dargestellt sind, ist 20, 17, 8 bzw. 3. Jeder der MOX-Kernbrennstäbe weist eine Länge von ungefähr 4 m und einen Außendurchmesser von ungefähr 12 mm auf. Die Kernbrennstoffanordnung weist einen Querschnitt auf, der ein Quadrat ist, dessen Länge jeder Seite ungefähr 15 cm beträgt. Die Symbole G₁ und G₂ zeigen Gadolinium-Brennstäbe. Die Anzahl der Gadolinium-Brennstäbe G₁ und G₂ ist 4 bzw. 8. Somit belaufen sich die MOX-Kernbrennstäbe auf 80% der Gesamtanzahl der in der Kernbrennstoffanordnung verwendeten Kernbrennstäbe. Die Funktion der Gadolinium-Brennstäbe besteht darin, die Spaltung darauf einzuschränken, daß sie am Beginn des Reaktorbetriebszeitraums stattfindet. Mit anderen Worten, die Gadolinium-Brennstäbe sind wirksam, um die Möglichkeit zu verringern, daß eine Spaltung am Beginn des Reaktorbetriebszeitraums auftritt, aber anschließend verlieren sie eine solche Funktion und gehen in spaltbare Brennstoffe über. In dieser Hinsicht sind Gadolinium-Brennstäbe in der Kategorie des Kernbrennstoffs enthalten. Das Symbol W zeigt einen Wasserstab mit einem Durchmesser von ungefähr 3 cm. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind die MOX-Brennstäbe mit einem höheren Anreicherungsgrad der spaltbaren Pu in der Mitte des Reaktorkerns angeordnet, und diejenigen mit geringeren Anreicherungsgraden der spaltbaren Pu sind das Symbol P₁ umgebend angeordnet, um den Anreicherungsgrad der spaltbaren Pu im äußeren Raum allmählich geringer werden zu lassen. Der mittlere Betrag des Anreicherungsgrades der spaltbaren Pu ist ungefähr 3%. Es ist unnötig zu betonen, daß der Auswahl ermöglicht wird, UO₂-Brennstoff allein, MOX-Kernbrennstoff allein oder eine Kombination von UO₂-Brennstoff und MOX-Kernbrennstoff zu verbrennen, für einen Reaktor, der dazu ausgelegt ist, entweder UO₂ allein oder MOX-Kernbrennstoff verbrennen zu lassen.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung klar ist, ist die Anordnung der MOX-Kernbrennstäbe in der vorangehenden Kernbrennstoffanordnung, die für einen thermischen Reaktor verwendbar ist, der dazu ausgelegt ist, das Verbrennen von entweder UO₂ allein oder von MOX-Kernbrennstoff zu ermöglichen, und der im Stand der Technik zur Verfügung steht, ein einfacher Austausch der UO₂-Brennstäbe gegen die MOX-Kernbrennstäbe, die auf die vorangehende Kernbrennstoffanordnung angewendet werden, die für einen thermischen Reaktor verwendbar ist, der dazu ausgelegt ist, das Verbrennen von UO₂ allein oder von MOX-Kernbrennstoff zu ermöglichen, und der im Stand der Technik zur Verfügung steht, ohne besonders auf den Unterschied in der Art des UO₂-Brennstoffs und des MOX-Kernbrennstoffs zu achten.
Folglich kann die Anordnung der Kernbrennstäbe in der Kernbrennstoffanordnung, die entweder für einen Reaktor, der zum Verbrennen von UO₂-Brennstoff ausgelegt ist, oder für einen Reaktor, der zum Verbrennen von MOX-Kernbrennstoff ausgelegt ist, welcher im Stand der Technik zur Verfügung steht, verwendbar ist, nachstehend zusammengefaßt werden.

1. Viele Arten von MOX-Kernbrennstäben werden verwendet, wobei jede von diesen Arten im Anreicherungsgrad von spaltbaren Pu voneinander verschieden ist.
2. Der Betrag des Anreicherungsgrades von spaltbaren Pu der vielen Arten der MOX-Kernbrennstäbe variiert um 6% oder weniger. Mit anderen Worten, der Anreicherungsgrad ist relativ niedrig.
3. Das Verhältnis der Gesamtanzahl der MOX-Kernbrennstäbe, die in einer Anordnung enthalten sind, und der Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe, die in einer Anordnung enthalten sind, ist nicht niedriger als 80%.
4. Jede Art der MOX-Kernbrennstäbe wird so ausgewählt, daß sie die Anforderungen erfüllt, die Verteilung der Volumenleistungsdichte oder tatsächlich die Wärmeverteilung im Reaktor für den gesamten Raum jeder Kernbrennstoffanordnung gleichmäßig zu machen.

Diese Anordnung ist folglich mit den folgenden Nachteilen behaftet, die überwiegend durch den Unterschied in der Art von UO₂-Brennstoff und des MOX-Kernbrennstoffs verursacht werden und die nachstehend beschrieben werden.

1. Da im Fall von U das Rohmaterial des UO₂-Brennstoffs oder das natürliche U eine ziemlich geringe Menge oder 0,7% des spaltbaren U²³⁵ enthält, erfordert ein Prozeß zum Erhalten von U, das eine geeignete Menge an spaltbarem U²³⁵ (U mit einem größeren Anreicherungsgrad als jenem des Rohmaterials) enthält, oder ein Prozeß zum Anreichern von U eine beträchtliche Menge an Kosten. Da im Fall des MOX-Kernbrennstoffs das Rohmaterial oder Pu, die aus dem verbrauchten Brennstoff wiedergewonnen werden, indem ein Wiederaufarbeitungsprozeß für verbrauchten Brennstoff durchgeführt wird, im Gegenteil eine große Menge oder 60 bis 70% des spaltbaren Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ enthält, erfordert ein Prozeß zum Erhalten von MOX-Kernbrennstoff, der eine geeignete Menge an Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ (MOX-Kernbrennstoff mit einem kleineren Anreicherungsgrad als jenem des Rohmaterials) enthält, oder ein Prozeß zum Verringern des Anreicherungsgrades eine beträchtliche Menge an Kosten. Mit anderen Worten, obwohl im Fall von UO₂-Brennstoff ein geringerer Betrag des Anreicherungsgrades günstig ist, ist im Fall des MOX-Kernbrennstoffs ein großer Betrag des Anreicherungsgrades günstig. Folglich ist die vorangehende Brennstoffanordnung, die im Stand der Technik zur Verfügung steht, mit einem Nachteil behaftet, bei dem deren Herstellungskosten beträchtlich groß sind.
2. Die Herstellung von mehreren Arten erfordert größere Kosten als jene für die Herstellung einer einzigen Art. Folglich ist die Kernbrennstoffanordnung mit vielen Arten von MOX-Kernbrennstäben, wobei jede dieser Arten mehrere Anreicherungsgrade von spaltbaren Pu aufweist, die voneinander verschieden sind, von den wirtschaftlichen Gesichtspunkten nachteilig.
3. Obwohl der verbrauchte Brennstoff von UO₂-Brennstäben wertvoll ist, weist der verbrauchte Brennstoff der MOX-Brennstäbe einen geringeren Wert von den Gesichtspunkten zur Verwendung des Materials als Kernbrennstoff auf, da die Neutronenabsorption durch UO₂ Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ und Pu²⁴² einschließlich des spaltbaren Pu²³⁹ und Pu²⁴¹, erzeugt, die Neutronenabsorption durch den MOX- Kernbrennstoff erzeugt nur Pu mit einer höheren Ordnung, von denen die meisten nicht spaltbares Pu²⁴⁰ und Pu²⁴² sind. Da die vorangehende Kernbrennstoffanordnung, die im Stand der Technik zur Verfügung steht, viele MOX-Kernbrennstäbe verwendet, ist sie folglich mit einem Nachteil behaftet, daß viel verbrauchter Brennstoff mit geringem Wert erzeugt wird.

Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die vorangehenden Nachteile zu beseitigen und eine Verbesserung bereitzustellen, die auf eine Kernbrennstoffanordnung anwendbar ist, die entweder für einen thermischen Neutronenreaktor, der dazu ausgelegt ist, UO₂ als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel zu verwenden, oder für einen thermischen Neutronenreaktor, der dazu ausgelegt ist, den MOX-Kernbrennstoff als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel zu verwenden, verwendbar ist, wobei deren Herstellungskosten weniger teuer sind und deren verbrauchter Brennstoff wertvoller ist als der verbrauchte Brennstoff einer Kernbrennstoffanordnung, die für einen Reaktor verwendbar ist, der zum Verbrennen von entweder UO₂-Brennstoff oder des MOX-Brennstoffs, der im Stand der Technik zur Verfügung steht, ausgelegt ist.
Für den Zweck, die vorangehenden Aufgaben zu erzielen, wird eine Kernbrennstoffanordnung, die entweder für einen thermischen Neutronenreaktor, der UO₂ als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel verwendet, oder für einen thermischen Neutronenreaktor, der den MOX-Kernbrennstoff als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel verwendet, verwendbar ist, gemäß dieser Erfindung auf der Basis der Philosophie, die von jener des Standes der Technik vollständig verschieden ist, entworfen.
Die für die Kernbrennstoffanordnung dieser Erfindung spezifische Philosophie wird nachstehend zusammengefaßt.

1. Nur eine Art von MOX-Kernbrennstäben oder MOX-Kernbrennstäbe mit nur einem Betrag des Anreicherungsgrads der spaltbaren Pu wird verwendet.
2. Der Anreicherungsgrad der spaltbaren Pu, die in der nur einen Art der MOX-Brennstäbe enthalten sind, wird so ausgewählt, daß er viel höher ist als jener der spaltbaren Pu, die in den MOX-Brennstäben der im Stand der Technik zur Verfügung stehenden Kernbrennstoffanordnungen enthalten sind.
3. Die Gesamtanzahl der MOX-Kernbrennstäbe wird so ausgewählt, daß sie viel geringer ist als jene des Standes der Technik.
4. Der durch die Gesamtanzahl der MOX-Kernbrennstäbe erhaltene Abbrand ist identisch zu jenem oder größer als jener des Standes der Technik.

Insbesondere variiert der Betrag des Anreicherungsgrades der spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ der nur einen Art der MOX-Kernbrennstäbe von 5 bis 15 Gewichts-%, bevorzugter 10 bis 15 Gewichts-%, in Bezug auf jenen des gesamten Volumens von Pu, einschließlich der spaltbaren und nicht-spaltbaren Pu, und die Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe in Bezug auf die Gesamtanzahl der gesamten Brennstäbe variiert von 20 bis 40%, bevorzugter 20 bis 25%.
Die Funktion und die Vorteile dieser Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Wie vorher beschrieben wurde, ist das Rohmaterial des MOX-Kernbrennstoffs erstens Pu, die vom verbrauchten Brennstoff von UO₂-Brennstoff wiedergewonnen werden, der in einem Reaktor verbrannt wurde, und die wiedergewonnenen Pu enthalten 60 bis 70% der spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹. Da der MOX-Kernbrennstoff mit einem solchen hohen Anreicherungsgrad für einen thermischen Reaktor nicht annehmbar sein kann, ist die Verringerung des Anreicherungsgrades für die Herstellung eines MOX- Kernbrennstabes wesentlich. Folglich sind die Kosten zur Herstellung eines MOX-Kernbrennstabes, der eine geringere Menge der spaltbaren Pu enthält oder einen geringeren Betrag des Anreicherungsgrades aufweist, teurer als die Kosten zur Herstellung eines MOX-Kernbrennstabes, der eine größere Menge der spaltbaren Pu enthält oder einen größeren Betrag des Anreicherungsgrades aufweist. Somit gilt, je geringer der Anreicherungsgrad ist, desto höher sind die Herstellungskosten für einen MOX-Kernbrennstoff. Im Gegensatz dazu ist das Rohmaterial des UO₂-Brennstoffs das natürliche U, das eine ziemlich kleine Menge oder 0,7% des spaltbaren U²³⁵ enthält. Folglich gilt, je höher der Anreicherungsgrad ist, desto höher sind die Herstellungskosten für einen UO₂-Brennstoff. Für den Zweck der Verringerung der Herstellungskosten eines MOX-Kernbrennstabes wird MOX-Brennstoff mit einem ziemlich höheren Anreicherungsgrad für die Kernbrennstoffanordnung dieser Erfindung verwendet. Folglich sind die Herstellungskosten der Kernbrennstoffanordnung dieser Erfindung weniger teuer als im Stand der Technik.
Zweitens ist es ziemlich natürlich, daß die Herstellungskosten von Kernbrennstoffanordnungen, die für einen Reaktor verwendbar sind, so geneigt sind, daß sie gemäß einer Steigerung der Anzahl von Arten der Kernbrennstäbe ansteigen. Mit anderen Worten, die Massenproduktion von nur einer Art eines Produkts ist wirtschaftlicher als die Herstellung von vielen verschiedenen Arten von Produkten. Da die Art der MOX-Brennstäbe, die in der Kernbrennstoffanordnung dieser Erfindung verwendet werden, nur eine ist, ist es klar, daß die Herstellungskosten der Kernbrennstoffanordnung dieser Erfindung weniger teuer sind als im Stand der Technik.
Da drittens die Gesamtanzahl von Neutronen pro Stunde, die in einem Reaktor emittiert werden müssen, für den spezifischen Reaktor vorbestimmt ist, führt eine Erhöhung des Anreicherungsgrades des MOX-Kernbrennstoffs zu einer Verringerung der Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe. Aus diesem Grund wird die Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe dieser Erfindung verringert. Dies bewirkt folglich den Vorteil, daß die Menge des verbrauchten Brennstoffs, dessen Wert viel geringer ist, verringert wird. Eine Erhöhung des Anreicherungsgrades einer kleinen Anzahl der MOX-Stäbe wird durch eine Möglichkeit, ein lokales Spitzenproblem zu verursachen, begleitet. Somit wird der Betrag des Anreicherungsgrades der in der Kernbrennstoffanordnung dieser Erfindung verwendeten MOX-Stäbe bestimmt, während ernsthaft darauf geachtet wird, nicht das lokale Spitzenproblem zu verursachen.
Viertens wird mit Bezug auf eine Zeichnung der Grund dafür, daß der Wert des verbrauchten Brennstoffs dieser Erfindung größer ist als jener des verbrauchten Brennstoffs des Standes der Technik nachstehend beschrieben.
Der Grund dafür, daß der Wert des verbrauchten Brennstoffs des MOX-Kernbrennstoffs von den Gesichtspunkten, das Material als Kernbrennstoff zu verwenden, geringer ist, wird nachstehend erörtert.
3 stellt den Querschnitt von U²³⁵ und Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ und Pu²⁴² dar. Der Querschnitt der Spaltung von U²³⁵ ist im Energiebereich entsprechend dem Bereich thermischer Neutronen (niedriger Energiebereich) groß und im höheren Energiebereich klein. Im Gegensatz dazu ist der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ und Pu²⁴² im Bereich epithermischer Neutronen (hoher Energiebereich) aufgrund der Resonanzabsorptionsspitze, die im hohen Energiebereich zu erkennen ist, groß. Dies bedeutet, daß, obwohl eine beträchtliche Menge an Neutronen, die auf U²³⁵ treffen, viel Möglichkeit haben, eine Spaltung zu verursachen, die größte Menge von Neutronen, die auf Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ und Pu²⁴² treffen, von ihnen absorbiert wird, so daß einfach die Ordnung der Pu erhöht wird.
Dieses Phänomen kann durch Tabelle 1 erklärt werden, die die Pu-Zusammensetzung, die in der MOX-Brennstoffanordnung enthalten ist (Pu-Zusammensetzung der Gesamtmenge an in einer MOX-Brennstoffanordnung enthaltenen Pu), bevor sie in einem Reaktor verbrannt wird, und die Pu-Zusammensetzung, die in der MOX-Brennstoffanordnung enthalten ist (Pu-Zusammensetzung der Gesamtmenge an in einer MOX-Brennstoffanordnung enthaltenen Pu), nachdem sie in einem Reaktor verbrannt wurde, vergleicht.
Tabelle 1 Pu-Zusammensetzung, die in der MOX-Brennstoffanordnung enthalten ist, bevor und nachdem sie in einem Reaktor verbrannt wird.
Die Tabelle zeigt, daß die Verringerung der Summe von Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ (Verringerung von 67% auf 47%) beträchtlich groß ist. Dies bedeutet, daß die Vergleichsgröße der Summe von Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ in Bezug auf die Gesamtmenge an Pu-Isotopen, die im verbrauchten Brennstoff der MOX-Brennstoffanordnung enthalten sind, klein ist.
Insofern als es um die Vergleichsgröße der Summe von Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ in Bezug auf die Gesamtmenge an Pu-Isotopen, die in jedem Brennstab enthalten sind, geht, ist die Situation andererseits anders. Tabelle 2 (Pu-Zusammensetzung, die in einem UO₂-Brennstab, nachdem er verbrannt wurde, und einem MOX-Brennstab, nachdem er in einem Reaktor verbrannt ist, enthalten ist) zeigt nämlich, daß, obwohl die Vergleichsgröße der Summe von Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ in Bezug auf die Gesamtmenge an Pu-Isotopen, die im verbrauchten Brennstoff eines UO₂-Brennstabes enthalten sind, 68% ist, die Vergleichsgröße der Summe von Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ in Bezug auf die Gesamtmenge an Pu-Isotopen, die im verbrauchten Brennstoff eines MOX-Brennstabes enthalten sind, 39% ist.
Tabelle 2 Pu-Zusammensetzung, die in einem UO₂-Brennstab und einem MOX-Brennstab enthalten ist, nachdem er in einem Reaktor verbrannt wurde
Dies bedeutet, daß jedoch aus den folgenden Gründen ein MOX-Brennstab seinen Wert verringert, wenn er in einem Reaktor verbrannt wird, ein UO₂-Brennstoff seinen Wert beibehält, selbst nachdem er in einem Reaktor verbrannt wurde.

1. Ein MOX-Brennstab muß eine spezielle Menge an spaltbaren Pu-Isotopen enthalten. Wenn die Vergleichsgröße der Summe von Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ in Bezug auf die Gesamtmenge an Pu-Isotopen, die in einem MOX-Brennstab enthalten sind, gering ist, benötigt er eine größere Menge an spaltbaren und nicht-spaltbaren Pu-Isotopen. Da nicht-spaltbare Pu-Isotope ebenso einen α-Strahl emittieren, ist ein größerer Betrag an radioaktiver Einschränkung für die Herstellungen von Wiederaufarbeitungseinheiten für verbrauchten Brennstoff, die später verwendet werden, erforderlich.
2. Da Pu²⁴⁰ einen großen Querschnitt für die Absorption von Neutronen aufweist, erfordert eine Erhöhung der Menge an Pu²⁴⁰ eine Erhöhung der Menge an spaltbaren Pu-Isotopen.
3. Da Pu²⁴⁰ Pu²⁴¹ erzeugt, das spaltbar ist, erhöht dieses Phänomen folglich den zukünftigen potentiellen Spaltungsbetrag. Dies verursacht folglich ein kompliziertes Problem zum Entwerfen eines Reaktors hinsichtlich Langzeit-Gesichtspunkten.

Da die MOX-Brennstoffanordnung dieser Erfindung eine ziemlich kleine Anzahl von MOX-Brennstäben aufweist, die eine ziemlich große Menge an spaltbaren Pu enthalten, weist die MOX-Brennstoffanordnung folglich eine große Anzahl an UO₂-Brennstäben auf. Folglich enthält der verbrauchte Brennstoff der MOX-Brennstoffanordnung dieser Erfindung ein großes Volumen an spaltbaren Pu. In dieser Hinsicht ist der verbrauchte Brennstoff der MOX-Brennstoffanordnung dieser Erfindung von den Gesichtspunkten der Verwendung des Materials als Brennstoff eines Kernreaktors wertvoll.
Diese Erfindung zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen kann aus der folgenden detaillierteren Beschreibung, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen dargestellt wird, leicht verstanden werden, in welchen gilt:
1 ist ein horizontaler Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor, der im Stand der Technik zur Verfügung steht, verwendbar ist,
2 ist ein horizontaler Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie entweder für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor oder für einen MOX-Kernberennstoff/Leichtwasser-Reaktor, der im Stand der Technik zur Verfügung steht, verwendbar ist,
3 ist ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen dem Neutronenabsorptionsquerschnitt von U²³⁵ und Pu²³⁹, Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ und Pu²⁴² und der Neutronenenergie (Temperatur) zeigt,
4 ist ein horizontaler Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie entweder für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor oder für einen MOX-Kernbrennstoff/Leichtwasser-Reaktor verwendbar ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung,
5 ist ein horizontaler Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie entweder für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor oder für einen MOX-Kernbrennstoff/Leichtwasser-Reaktor verwendbar ist, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, und
6 ist ein horizontaler Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie entweder für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor oder für einen MOX-Kernbrennstoff/Leichtwasser-Reaktor verwendbar ist, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
Eine ausführliche Beschreibung wird nachstehend für eine Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie entweder für einen UO₂/Leichtwasser-Reaktor oder für einen MOX-Kernbrennstoff/Leichtwasser-Reaktor verwendbar ist, gemäß drei unabhängigen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung dargestellt.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Mit Bezug auf 4 wird eine beispielhafte Anordnung von Kernbrennstäben in einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie für einen thermischen Reaktor verwendbar ist, dem es möglich ist, entweder UO₂-Brennstoff oder MOX-Kernbrennstoff zu verwenden, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung nachstehend beschrieben.
Ein thermischer Reaktor, der derzeit in irgendeinem Land auf der Welt in Betrieb ist, muß die Gesetze und Regelungen hinsichtlich der Länge von dessen Betriebszyklus und von dessen Abbrand einhalten, die im speziellen Land, in dem der spezielle thermische Reaktor arbeitet, in Kraft sind. Somit müssen Möglichkeiten erkannt werden, die nicht zugelassen sind, um die gesamten für diese Erfindung wesentlichen Anforderungen zu realisieren. Im ersten Ausführungsbeispiel wird jedoch ernsthaft darauf geachtet, das Merkmal und die Vorteile dieser Erfindung so weit wie möglich unabhängig von der derzeitigen gesetzlichen Einschränkung zu realisieren. Mit anderen Worten, der MOX-Anreicherungsgrad der nur einen Art von MOX-Kernbrennstäben wird als nicht niedriger als 14 Gewichts-% ausgewählt und das Verhältnis der Anzahl der MOX-Stäbe in Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe wird als nicht höher als 33% ausgewählt.
Mit Bezug auf 4, die einen horizontalen Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt, wobei die Anordnung MOX-Kernbrennstäbe und UO₂-Stäbe aufweist und eine Abbrennkapazität von 70 GWd/Tonne (Schwermetallmassentonne) aufweist, zeigt das Symbol 1 stark angereicherte MOX-Kernbrennstäbe, von denen jeder U²³⁵ mit 0,225 Gewichts-% und die spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ mit ungefähr 14 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 24. Dies ist die nur eine Art von MOX-Kernbrennstäben, die für diese Anordnung verwendet werden. Die Symbole 2 und 3 zeigen UO₂-Stäbe, wobei jede von diesen Arten U²³⁵ mit 4,9 Gewichts-% bzw. 4,5 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 24 bzw. 4. Das Symbol G zeigt Gadoliniumstäbe, von denen jeder U²³⁵ mit 3,5 Gewichts-% bzw. Gadolinium mit 3,5 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 20. Folglich belaufen sich die MOX-Kernbrennstäbe auf 33% der Gesamtanzahl der in der Kernbrennstoffanordnung enthaltenen Kernbrennstäbe. Jeder Stab weist eine Länge von ungefähr 4 m und einen Außendurchmesser von ungefähr 11 mm auf. Die Kernbrennstoffanordnung ist ein Quadrat, dessen Länge jeder Seite ungefähr 15 cm ist.
Der Herstellungsprozeß der vorangehenden Kernbrennstoffanordnung gemäß dieser Erfindung ist fast identisch zu jenem, der derzeit zur Verfügung steht.
Erstens werden ein Purex-Prozeß oder irgendwelche anderen trockenen oder feuchten Wiederaufarbeitungsprozesse für verbrauchten Kernbrennstoff verwendet, um Pu aus einem verbrauchten Brennstoff abzutrennen. Die Menge an spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹, die in den abgetrennten Pu enthalten sind, die gewöhnlich durch einen Massenanalyseprozeß bestimmt wird, ist 60 bis 70%. Ein Oxidationsprozeß wird durchgeführt, um Pu-Oxide zu erzeugen.
Zweitens wird das Pulver von PuO₂ und UO₂ vermischt, um den resultierenden Anreicherungsgrad mit einem gewünschten Wert herzustellen.
Drittens wird ein MINAS-Prozeß oder ein SBR-Prozeß durchgeführt, um das Pulver von PuO₂ und UO₂ gut zu vermengen.
Ein Form- und Sinterprozeß wird durchgeführt, um das Pulver von PuO₂ und UO₂ in gesinterte Pellets von PuO₂ und UO₂ umzuwandeln.
Die Produktpellets werden in einen Zirkaloy-Mantel gefüllt und dessen beiden Enden werden versiegelt, um Brennstäbe herzustellen.
MOX-Brennstäbe, UO₂-Stäbe und andere Teile werden hergestellt, um Kernbrennstoffanordnungen fertigzustellen.
Wie in 4 dargestellt ist, ist nur eine Art von MOX-Brennstäben 1, deren Anreicherungsgrad nicht niedriger als 14 Gewichts-% ist, in dem Bereich angeordnet, in dem die Wirkungen des Moderators geringer sind. Da die durch die Symbole 2 und 3 dargestellten Stäbe UO₂-Stäbe sind und da die durch das Symbol 1 allein dargestellten Stäbe MOX-Brennstäbe sind, ist das Verhältnis der Anzahl von MOX-Brennstäben mit Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe nicht niedriger als 33%. Folglich ist der Anreicherungsgrad von 14 Gewichts-% merklich höher als jener des Standes der Technik von 5 Gewichts-%. Andererseits ist das Verhältnis (33%) der Anzahl der MOX-Brennstäbe mit Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe im Vergleich zu jenem des Standes der Technik oder 80% merklich geringer. Die Funktion der Gadolinium-Brennstäbe ist identisch zu jener des Standes der Technik. Sie besteht nämlich darin, die Spaltung darauf einzuschränken, daß sie am Beginn eines Reaktorbetriebszeitraums stattfindet. Mit anderen Worten, die Gadolinium-Brennstäbe sind wirksam, um die Möglichkeit zu verringern, daß eine Spaltung am Beginn des Reaktorbetriebszeitraums auftritt, aber anschließend verlieren sie die Funktion und gehen in einen spaltbaren Brennstoff über.
Abschließend ist die Kernbrennstoffanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit nur einer Art von MOX-Kernbrennstäben versehen, von denen jeder einen merklich großen Betrag des Anreicherungsgrades der spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ aufweist, und die Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe ist außergewöhnlich klein.
Wie vorher beschrieben wurde, sind die Herstellungskosten dieser Kernbrennstoffanordnung viel geringer und der Wert des verbrauchten Brennstoffs dieser Kernbrennstoffanordnung ist beträchtlich groß.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Mit Bezug auf 5 wird eine beispielhafte Anordnung von Kernbrennstäben in einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie für einen thermischen Reaktor verwendbar ist, dem es möglich ist, entweder UO₂-Brennstoff allein oder MOX- Kernbrennstoff zu verwenden, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung nachstehend beschrieben.
Wie vorher beschrieben wurde, muß ein thermischer Reaktor, der derzeit in irgendeinem Land auf der Welt in Betrieb ist, die Gesetze und Regelungen hinsichtlich der Länge von dessen Betriebszyklus und von dessen Abbrand einhalten, die im speziellen Land, in dem der spezielle thermische Reaktor arbeitet, in Kraft sind. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird jedoch ebenso ernsthaft darauf geachtet, das Merkmal und die Vorteile dieser Erfindung so weit wie möglich innerhalb der Begrenzung zu realisieren, um die gesetzliche Einschränkung einzuhalten, die derzeit im allgemeinen auf der Welt in Kraft ist. Mit anderen Worten, der MOX-Anreicherungsgrad wird als 6 Gewichts-% ausgewählt und das Verhältnis der Anzahl der MOX-Stäbe mit Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe wird als etwa 25% ausgewählt.
Mit Bezug auf 5, die einen horizontalen Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt, wobei die Anordnung MOX-Kernbrennstäbe und UO₂-Kernbrennstäbe und eine Abbrennkapazität von 45 GWd/Tonne (Schwermetallmassentonne) aufweist, zeigt das Symbol 1 stark angereicherte MOX-Kernbrennstäbe, wobei jede von diesen Arten U²³⁵ mit 0,225 Gewichts-% und die spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ mit 6 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 16. Dies ist die nur eine Art von MOX-Kernbrennstäben, die für diese Anordnung verwendet werden. Die Symbole 2, 3 und 4 zeigen UO₂-Brennstäbe, wobei jede von diesen Arten U²³⁵ mit 4,0 Gewichts-%, 3,5 Gewichts-% bzw. 3 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 28, 8 bzw. 4. Das Symbol G zeigt Gadoliniumstäbe, von denen jeder U²³⁵ mit 2 Gewichts-% bzw. Gadolinium mit 2 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 16. Folglich belaufen sich die MOX-Kernbrennstäbe auf 22,22%, d. h. etwa 25% der Gesamtanzahl der in der Kernbrennstoffanordnung verwendeten Kernbrennstäbe.
Der Herstellungsprozeß der vorangehenden Kernbrennstoffanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist zu jenem für das erste Ausführungsbeispiel vollständig identisch.
Wie in 5 dargestellt ist, ist nur eine Art von MOX-Brennstäben 1, von welcher Art der Anreicherungsgrad 6 Gewichts-% ist, in dem Bereich angeordnet, in dem die Wirkungen des Moderators geringer sind. Da die durch die Symbole 2, 3 und 4 dargestellten Stäbe UO₂-Brennstäbe sind und da die durch das Symbol 1 allein dargestellten Stäbe MOX-Brennstäbe sind, ist das Verhältnis der Anzahl von MOX-Brennstäben mit Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe 25%. Folglich ist der Anreicherungsgrad von 6 Gewichts-% höher als jener des Standes der Technik oder 5%. Andererseits ist das Verhältnis (25%) der Anzahl der MOX-Brennstäbe mit Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe merklich geringer als jene des Standes der Technik oder 80%. Die Funktion der Gadolinium-Brennstäbe ist identisch zu jener des Standes der Technik. Sie besteht nämlich darin, die Spaltung darauf einzuschränken, daß sie am Beginn des Reaktorbetriebszeitraums stattfindet.
Abschließend ist die Kernbrennstoffanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit nur einer Art von MOX-Kernbrennstäben versehen, wobei jede dieser nur einen Art einen großen Betrag des Anreicherungsgrades der spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ aufweist, und die Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe ist klein.
Wie vorher beschrieben wurde, sind die Herstellungskosten dieser Kernbrennstoffanordnung viel geringer und der Wert des verbrauchten Brennstoffs dieser Kernbrennstoffanordnung ist beträchtlich groß.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Mit Bezug auf 6 wird eine beispielhafte Anordnung von Kernbrennstäben in einer Kernbrennstoffanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie für einen thermischen Reaktor verwendbar ist, dem es möglich ist, entweder UO₂-Brennstoff allein oder MOX-Kernbrennstoff zu verwenden, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung nachstehend beschrieben.
Wie vorher beschrieben wurde, muß ein thermischer Reaktor, der derzeit in irgendeinem Land auf der Welt in Betrieb ist, die Gesetze und Regelungen hinsichtlich der Länge von dessen Betriebszyklus und dessen Abbrand, die im speziellen Land, in dem der spezielle thermische Reaktor derzeit arbeitet, in Kraft sind, einhalten. Im dritten Ausführungsbeispiel werden die besten Anstrengungen aufgewendet, um das Merkmal und den Vorteil dieser Erfindung so weit wie möglich innerhalb der Begrenzung der Konstruktion des derzeit arbeitenden Reaktors zu realisieren.
Mit Bezug auf 6, die einen horizontalen Querschnitt einer Kernbrennstoffanordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt, wobei die Anordnung MOX-Brennstäbe und UO₂-Brennstäbe aufweist und eine Abbrennkapazität von 45 GWd/Tonne (Schwermetallmassentonne) aufweist, zeigt das Symbol 1 stark angereicherte MOX-Kernbrennstäbe, von denen jeder U²³⁵ mit 0,225 Gewichts-% und die spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ mit 6 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 24. Dies ist die nur eine Art der MOX-Kernbrennstäbe, die für diese Anordnung verwendet werden. Die Symbole 2, 3 und 4 zeigen UO₂-Brennstäbe, wobei jede dieser Arten U²³⁵ mit 4 Gewichts-%, 3,5 Gewichts-% bzw. 3 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 20, 8 bzw. 4. Das Symbol G zeigt Gadoliniumstäbe, von denen jeder U²³⁵ mit 2 Gewichts-% bzw. Gadolinium mit 2,2 Gewichts-% enthält. Die verwendete Anzahl ist 16. Somit beläuft sich die Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe auf 33% der Gesamtanzahl der in der Anordnung verwendeten Kernbrennstäbe.
Der Herstellungsprozeß der vorangehenden Kernbrennstoffanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vollständig identisch zu jenem für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel.
Wie in 6 dargestellt ist, ist nur eine Art von MOX-Brennstäben 1, wobei von dieser nur einen Art der Anreicherungsgrad 6 Gewichts-% beträgt, in dem Bereich angeordnet, in dem die Wirkungen des Moderators geringer sind. Da die durch die Symbole 2, 3 und 4 dargestellten Stäbe UO₂-Brennstäbe sind und da die durch das Symbol 1 allein dargestellten Stäbe die MOX-Brennstäbe sind, ist das Verhältnis der Anzahl der MOX-Brennstäbe mit Bezug auf die Gesamtanzahl von Kernbrennstäben 33%. Folglich ist der Anreicherungsgrad von 6 Gewichts-% höher als jener des Standes der Technik oder 5%. Andererseits ist das Verhältnis (33%) der Anzahl der MOX-Brennstäbe mit Bezug auf die Gesamtanzahl der Kernbrennstäbe merklich geringer als jene des Standes der Technik oder 80%. Die Funktion der Gadolinium-Brennstäbe ist identisch zu jener des Standes der Technik.
Wie zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel identisch, sind die Herstellungskosten dieser Kernbrennstoffanordnung viel geringer und der Wert des verbrauchten Brennstoffs dieser Kernbrennstoffanordnung ist beträchtlich groß.
Abschließend ist die Kernbrennstoffanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit nur einer Art von MOX-Kernbrennstäben versehen, wobei jede dieser nur einen Art einen relativ großen Betrag des Anreicherungsgrades der spaltbaren Pu oder Pu²³⁹ und Pu²⁴¹ aufweist, und die Anzahl der MOX-Kernbrennstäbe ist klein.
Wie vorher beschrieben wurde, sind die Herstellungskosten dieser Kernbrennstoffanordnung viel geringer und der Wert des verbrauchten Brennstoffs dieser Kernbrennstoffanordnung ist beträchtlich groß.
Die obige Beschreibung hat verdeutlicht, daß diese Erfindung erfolgreich eine Verbesserung bereitgestellt hat, die auf eine Kernbrennstoffanordnung anwendbar ist, die entweder für einen thermischen Neutronenreaktor, der UO₂ als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel verwendet, oder für einen thermischen Neutronenreaktor, der den MOX-Kernbrennstoff als Kernbrennstoff und leichtes Wasser als Moderator/Kühlmittel verwendet, verwendbar ist, wobei die Herstellungskosten viel geringer sind und der Wert von deren verbrauchtem Brennstoff viel größer ist als jener der im Stand der Technik zur Verfügung stehenden Kernbrennstoffanordnung.

Claims

MOX-Kernbrennstoffanordnung für einen thermischen Neutronen-Leichtwasserreaktor mit: mehreren in einer Matrix in einem Kanalbehälter angeordneten Kernbrennstäben und Mitteln, die beim Betrieb des Reaktors die Strömung von sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel wirkendem leichten Wasser durch Räume zwischen den Kernbrennstäben ermöglichen, wobei die MOX-Kernbrennstoffanordnung im Reaktorkern positionierbar ist, und wobei 20 bis 40% der Anzahl der Kernbrennstäbe nur von einer Art von MOX-Kernbrennstäben sind, welche jeweils spaltbare Pu mit ausschließlich einem Anreicherungsgrad enthalten, während 80 bis 60% der Anzahl der Kernbrennstäbe aus UO₂-Brennstäben gebildet sind, welche U-Isotope, zumindest U²³⁵, enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Anreicherungsgrad der spaltbaren Pu der einen Art von MOX-Kernbrennstäben aus einem Bereich von 5 bis 15 Gewichts-% gewählt ist.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 20% bis 25% der Anzahl der Kernbrennstäbe MOX-Kernbrennstäbe sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 2, die weiter mehrere Gadoliniumstäbe umfasst, welche U-Isotope, zumindest U²³⁵, und Gadolinium enthalten, wobei die Gadoliniumstäbe in einem Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators stark sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anreicherungsgrad des U²³⁵ aus einem Bereich von 1 bis 5 Gewichts-% gewählt ist.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die MOX-Kernbrennstäbe in einen Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 2, die weiter einen Wasserstab umfasst, der in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der MOX-Kernbrennstäbe spaltbare Pu enthält, deren Anreicherungsgrad ausschließlich aus einem Bereich von 10 bis 15 Gewichts-% gewählt ist.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 7, die weiter mehrere Gadoliniumstäbe umfasst, welche U-Isotope, zumindest U²³⁵, und Gadolinium enthalten, wobei die Gadoliniumstäbe in einem Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators stark sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anreicherungsgrad des U²³⁵ aus einem Bereich von 1 bis 5 Gewichts-% gewählt ist.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die MOX-Kernbrennstäbe in einen Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 7, die weiter einen Wasserstab umfasst, der in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anreicherungsgrad des U²³⁵ aus einem Bereich von 1 bis 5 Gewichts-% gewählt ist.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 12, die weiter mehrere Gadoliniumstäbe umfasst, welche U-Isotope, zumindest U²³⁵, und Gadolinium enthalten, wobei die Gadoliniumstäbe in einem Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators stark sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 12, die weiter einen Wasserstab umfasst, der in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die MOX-Kernbrennstäbe in einen Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 15, die weiter mehrere Gadoliniumstäbe umfasst, welche U-Isotope, zumindest U²³⁵, und Gadolinium enthalten, wobei die Gadoliniumstäbe in einem Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators stark sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anreicherungsgrad des U²³⁵ aus einem Bereich von 1 bis 5 Gewichts-% gewählt ist.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 15, die weiter einen Wasserstab umfasst, der in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, die weiter mehrere Gadoliniumstäbe umfasst, welche U-Isotope, zumindest U²³⁵, und Gadolinium enthalten, wobei die Gadoliniumstäbe in einem Bereich positionierbar sind, in dem die Wirkungen des Moderators stark sind.
MOX-Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, die weiter einen Wasserstab umfasst, der in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirkungen des Moderators schwach sind.