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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelementbündel (eine Brennstoffkassette)
für einen Druckwasserreaktor,
das (die) erste Kernbrennelemente (Brennstäbe) mit einem ersten Massengehalt an
Gadolinium und zweite Kernbrennelemente (Brennstäbe) mit einem zweiten Massengehalt
an Gadolinium umfasst, wobei der zweite Massengehalt höher ist
als der erste Massengehalt.
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Gadolinium
ist ein Neutronengift, das, wenn es in Kernbrennelementbündeln verwendet
wird, zwei Aufgaben erfüllt.
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Einerseits
erlaubt es die Herabsetzung der anfänglichen Reaktivität des Reaktorkerns
(der Spaltzone) nach einer partiellen oder vollständigen Neubeladung
mit neuen Brennelementbündeln
aufgrund seines Absorptionsvermögens
für Neutronen. Das
allmähliche
Verschwinden des Gadoliniums kompensiert das zunehmende Abbrennen
des Brennelements.
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Andererseits
erlaubt es Dank einer geeigneten Verteilung der Brennelementbündel, die
Gadolinium enthalten, im Kern (in der Spaltzone) des Kern-Reaktors
die Erzielung einer regelmäßigeren radialen
Verteilung der Reaktorleistung und das über einen ganzen Funktionszyklus
des Reaktorkerns vor dem Nachladen.
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Anfänglich wurden
Brennelementbündel
des Kernreaktors verwendet, deren vergiftete (abgebrannte) Stäbe den gleichen
Massengehalt an Gadoliniumoxid (Gd2O3), im Allgemeinen zwischen 5 und 12%, aufwiesen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass derartige Bündel eine zufrieden stellende
Steuerung der Spaltzonen (Kerne) für längere Betriebszykluszeiten,
insbesondere von mehr als 18 oder 24 Monaten, nicht erlauben.
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In
dem Dokument
EP 0 799 484 wurde
ein Brennelementbündel
mit zwei Massengehalten an Gadoliniumoxid vorgeschlagen. In diesem
Dokument ist angegeben, dass die anfängliche Anti-Reaktivität, die von
dem Gadolinium beigetragen wurde, nicht proportional zu seinem Gehalt
war, sondern mit dem Gehalt viel weniger schnell zunahm, sobald
man einen Gehalt von etwa 1% überschritten
hatte.
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Dieses
Dokument erteilt somit die Lehre, erste Brennstäbe mit einem ersten Massengehalt
an Gadoliniumoxid zwischen 0,5 und 2% und zweite Brennstäbe mit einem
zweiten Massengehalt zwischen 5 und 12% zu verwenden. Die ersten
Brennstäbe
erlaubten die Herabsetzung der anfänglichen Reaktivität in ausreichender
Weise. Außerdem
nahm aufgrund ihres geringen Gehaltes ihre Antireaktivität (negative
Reaktivität)
sehr schnell ab ab Beginn des Betriebszyklus des Reaktors, sodass
die ersten Brennstäbe
der radialen Verteilung der Energie für den Rest des Zyklus nicht
schadeten, wobei diese Verteilung dann durch die zweiten vergifteten
(abgebrannten) Brennstäbe
gesteuert werden konnten.
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Es
wurde jedoch festgestellt, dass diese Brennelementbündel eine
vollständig
zufrieden stellende Steuerung der Reaktorkerne bei besonders langen
Betriebszyklen nicht erlaubten.
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Insbesondere
führen
diese Bündel
zu negativen Temperatur-Koeffizienten des Moderators, die, ausgedrückt als
Absolutwert, zu niedrig sind.
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Es
sei daran erinnert, dass dieser Koeffizient die Zunahme der Kapazität des Moderators
misst, d.h. die Fähigkeit
des in dem Primärkreislauf
des Reaktors zirkulierenden Kühlwassers,
Neutronen zu absorbieren, wenn die Temperatur in dem Reaktorkern (in
der Spaltzone) ansteigt. Dieser Koeffizient misst in irgendeiner
Weise die Fähigkeit
des Reaktorkerns, sich selbst abzuschalten.
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Außerdem konnte
festgestellt werden, dass der radiale Spitzenenergie-Faktor Fxy
im Verlaufe des Zyklus über
seinen Anfangswert hinaus wieder ansteigen konnte, d.h. über den
Wert zu Beginn des Zyklus hinaus.
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Es
sei daran erinnert, dass der radiale Spitzenenergie-Faktor Fxy das
Verhältnis
zwischen der von einem Brennelement abgegebenen maximalen Leistung
in dem Reaktorkern und der von den Brennstäben des Reaktorkerns abgegebenen
mittleren Leistung darstellt. Dieser Faktor misst das Ungleichgewicht
der Leistung, das zwischen den Brennstäben des Reaktorkerns besteht.
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Diese
Wiederanstiege des Faktors Fxy über seinen
Anfangswert hinaus komplizieren die Steuerung der im Betrieb befindlichen
Reaktoren, von denen man wünschen
würde,
dass zur Erzielung eines besseren Komforts das maximale Ungleichgewicht zu
Beginn des Zyklus erreicht wäre.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, diese Probleme zu lösen, indem
man eine sicherere und einfachere Steuerung der Kerne (Spaltzonen)
von Druckwasser-Reaktoren
ermöglicht.
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Zu
diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennelementbündel für einen
Druckwasser-Reaktor, das erste Kernbrennelemente (Brennstäbe) mit
einem ersten Massengehalt an Gadolinium und zweite Kernbrennelemente
(Brennstäbe)
mit einem zweiten Massengehalt an Gadolinium umfasst, wobei der
zweite Gehalt höher
ist als der erste Gehalt, wobei das Brennelementbündel dadurch
gekennzeichnet ist, dass der erste Massengehalt stets höher ist
als 2%.
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Nach
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung kann das Brennelementbündel ein oder mehrere der nachstehend
angegebenen Charakteristika aufweisen, die einzeln oder zusammengenommen
alle technisch möglichen
Kombinationen umfassen:
- – der erste Massengehalt beträgt ≥ 2,1%,
- – der
zweite Massengehalt beträgt ≥ 2,2%,
- – der
dritte Massengehalt beträgt ≥ 2,5%,
- – der
vierte Massengehalt beträgt ≥ 3%,
- - der erste Massengehalt beträgt ≥ 4%,
- – der
erste Massengehalt beträgt ≥ 5% und
der
erste Massengehalt beträgt ≤ 8%.
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Die
Erfindung wird beim Lesen der nachstehenden Beschreibung, die lediglich
der Erläuterung der
Erfindung dient und in der Bezug genommen wird auf die beiliegenden
Zeichnungen, besser verständlich,
wobei in den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht, welche die Verteilung der Brennstäbe in einem
ersten Bündel-Typ
gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 die
Variation der Antireaktivität
(negativen Reaktivität)
eines Brennstabes in Abhängigkeit von
seinem Gehalt an Gadolinium in zwei Brennelementbün deln, die
jeweils ein mit 4,50% Uran 235 angereichertes Brennelementoxid (durchgezogene) Kurve
bzw. ein mit 3,90% Uran 235 angereichertes Brennelementoxid (gestrichelte
Kurve) zeigen,
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3 eine
Ansicht analog zu derjenigen der 1, die zwei
erfindungsgemäße Brennelementbündel erläutert, und
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4 ein
Diagramm bzw. eine schematische Darstellung, die eine mögliche Verteilung
der Brennelementbündel
gemäß den 1 und 3 in
einem Viertel des Kerns eines Kernreaktors zeigt.
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Die 1 erläutert einen
ersten Typ des Brennelementbündels 1 für einen
Druckwasser-Reaktor (REP).
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Die
generelle Struktur dieses Bündels 1 ist klassisch
und wird daher nicht näher
beschrieben. Es sei einfach daran erinnert, dass das Bündel 1 Kernbrennelemente
(Brennstäbe)
und ein Trägergerüst zum Festhalten
der Kernbrennelemente (Brennstäbe)
an den Überkreuzungen
eines regelmäßigen Gitters,
in der Regel mit quadratischer Basis, umfasst.
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Das
Grundgerüst
umfasst einen unteren Eingang, einen oberen Eingang und Führungsrohre 5, welche
diese beiden Eingänge
miteinander verbinden und dazu bestimmt sind, die Brennstäbe eines Brennelementbündels zur
Kontrolle der Funktion des Kerns (der Spaltzone) des Kernreaktors
aufzunehmen.
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Das
Grundgerüst
umfasst außerdem
Gitter 7 zum Festhalten der Brennstäbe. Diese Gitter 7 umfassen üblicherweise
Gruppen von sich überkreuzenden
Plaketten, die zwischen sich Zellen 9 begrenzen, die an
den Überkreuzungen
des regulären
Netzes zentriert sind. Jede Zelle 9 dient dazu, einen Brennstab
aufzunehmen, die zum größten Teil
in der 1 nicht dargestellt sind, oder ein Führungsrohr 5 aufzunehmen,
wobei die zentrale Zelle 9 selbst ein Instrumentenrohr 11 aufnimmt.
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In
dem Beispiel gemäß 1 umfassen
die Festhaltegitter 7 17 Zellen 9 pro Seite. Bei
anderen Varianten kann die Anzahl der Zellen verschieden sein, beispielsweise
14 × 14
oder 15 × 15
betragen.
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Die
Zellen 9, die in der 1 als leer
dargestellt sind, enthalten Kernbrennelemente (Brennstäbe), die
kein Gadolinium enthalten. In der Regel enthalten diese Brennstäbe Uranoxid,
das an dem Isotop 235 in einer Masse von 2,5% angereichert ist.
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Das
Brennelementbündel 1 umfasst über diese
nicht vergifteten (nicht abgebrannten) Brennstäbe hinaus vergiftete (abgebrannte)
Kernbrennelemente (Brennstäbe).
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Insbesondere
umfasst es vier erste Brennstäbe 15 mit
einem ersten Massengehalt an Gadoliniumoxid und 16 zweite
Brennstäbe 17 mit
einem zweiten Massengehalt an Gadoliniumoxid, der höher ist
als der erstgenannte Massengehalt. Die ersten Brennstäbe 15 sind
durch Kreuze gekennzeichnet und die zweiten Brennstäbe sind
durch Schraffierungen gekennzeichnet.
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Wie
in dem Patent
EP 0 799 484 dargestellt und
wie aus der beiliegenden
2 ersichtlich, entwickelt sich
der anfängliche
Wirkungsgrad eines Brennstabes, der Gadolinium umfasst, nicht linear
zu dem numerischen Wert seines Massengehaltes an Gadoliniumoxid.
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Man
erkennt beispielsweise in der 2, dass bei
einem Brennstab, der anfänglich
mit 4,50% Uran 235 angereichert war, die durch 1% Gadolinium beigetragene
Antireaktivität
(negative Reaktivität)
etwas mehr als 500 pcm (Teil pro 100 000) beträgt, während die von 8% Gadolinium
beigetragene Antireaktivität
(negative Reaktivität)
nur etwa 750 pcm beträgt.
Eine Verminderung des Anfangsgehaltes an Gadolinium in einem Verhältnis von
8 : 1 äußert sich somit
nur in einer Abnahme der Antireaktivität (negativen Reaktivität) in einem
Verhältnis
von etwa 1,5 : 1. Die gestrichelte Kurve zeigt, dass dies auch der
Fall ist für
eine Anreicherung mit 3,9% Uran 235. Ein solches Verhalten kann
auch festgestellt werden bei Anreicherungen von Uran 235, die davon
verschieden sind, beispielsweise mit Uran-Gehalten 235 von 2,5%.
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Aus
diesem Grund vermittelt das Dokument
EP
0 799 484 die Lehre, einen ersten Massengehalt an Gadolinium
von weniger als 2% zu verwenden.
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Im
Gegensatz zu dieser Lehre beträgt
der erste Gehalt an Gadoliniumoxid (Gd2O3) hier 5 Massenprozent und der zweite Gehalt
beträgt
10 Massenprozent. Die Brennstäbe 15 und 17 weisen
darüber
hinaus eine Anreicherung an Uran 235 von 2,5 Massenprozent auf.
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Numerische
Simulationen haben gezeigt, dass das Bündel 1 gemäß 1 eine
einfachere und sicherere Steuerung des Kerns (der Spaltzone) eines Kernreaktors
ermöglicht.
Zu diesem Zweck wurde der Betrieb eines mit Bündeln 1 des ersten Typs
sowie mit Bündeln 21 des
zweiten Typs, wie in 3 erläutert, beladenen Kerns simuliert.
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Diese
Bündel 21 umfassen
im Gegensatz zu den Bündeln 1 des
ersten Typs nur acht Brennstäbe 17.
Die Verteilung der Brennstäbe 15 und 16 in
den Bündeln 21 ist
in der 3 erläutert.
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Die 4 erläutert ein
Viertel der Spaltzone (des Kerns) 23 des Kernreaktors,
der eine Symmetrie vierter Ordnung aufweist. Die beiden Symmetrieachsen
sind in der 4 in strichpunktierter Form
dargestellt.
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So
kann die Gesamtstruktur des Kerns (der Spaltzone) 23 von
der einzigen 4 abgeleitet werden.
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Die
weißen
Quadrate zeigen die zu Beginn des Zyklus erneuerten Bündel, bei
denen es sich um Bündel 1 vom
ersten Typ, sowie um Bündel 21 vom zweiten
Typ handelt. Man stellt fest, dass die Bündel 21 an der Peripherie
des Kerns (der Spaltzone) angeordnet sind. Insgesamt umfasst der
Kern (die Spaltzone) 23 52 Bündel 1 und 20 Bündel 21.
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Die
weniger dicht schraffierten Quadrate repräsentieren die Bündel, die
bereits einen Zyklus durchlaufen haben und die gerade ihren zweiten
Zyklus beginnen. Die stärker
schraffierten Quadrate entsprechen den Bündeln, die bereits zwei Zyklen durchlaufen
haben und die gerade ihren dritten und letzten Zyklus beginnen.
Der Kern (die Spaltzone) 23 erlaubt die Durchführung eines
verhältnismäßig langen
Zyklus, in der Regel mit einer Länge
von etwa 488 jepp (Tag entsprechend einer vollen Leistung).
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Zu
Beginn des Zyklus hat der radiale Leistungspeak-Faktor Fxy einen
Wert von etwa 1,465 und der Temperatur-Koeffizient des Moderators
beträgt –3,7 pcm/°C. Der Anfangswert
des Faktors Fxy ist somit besonders hoch und insbesondere höher als mit
Bündeln,
die den Lehren von
EP 0 799 484 entsprechen.
Außerdem
ist die Dauer, die erforderlich ist, um das Gadolinium der ersten
Brennelemente
15 abzubrennen, höher als im Falle des Patents
EP 0 799 484 .
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Der
Wiederanstieg des Faktors Fxy im Verlaufe des Zyklus entsteht somit
stärker
verzögert
und er weist eine viel niedrigere Amplitude auf, bezogen auf den
Anfangswert des radialen Leistungspeak-Faktors Fxy.
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Diese
beiden Effekte sind zurückzuführen auf
einen ersten Gehalt von stets mehr als 2% in den ersten Brennstäben 15,
der es insbesondere erlaubt, von einer Vergiftung durch die ersten
Brennstäbe 15 verhältnismäßig lange
zu profitieren.
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Das
Betreiben des Kerns (der Spaltzone) 23 ist daher einfacher,
weil der maximale Wert des radialen Leistungspeak-Faktors Fxy zu
Beginn des Zyklus zuverlässiger
erscheint.
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Desgleichen
ist auch der Temperatur-Koeffizient des Moderators sehr niedrig,
d.h. er hat einen hohen Absolutwert, was eine erhöhte Sicherheit
beim Betrieb des Reaktorkerns 23 garantiert, ohne dass eine
hohe Bor-Anfangskonzentration in dem in dem Primärkreislauf zirkulierenden Kühlmittel
erforderlich ist.
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Allgemein
kann die Erfindung durchgeführt werden
unter Anwendung von Werten für
den ersten Massengehalt an Gadoliniumoxid (Gd2O3), die stets höher sind als 2%, beispielsweise
2,1%; 2,2%; 2,5%; 3%; 4%; 5%; 6%; 7%; 8%, ja sogar mehr betragen können.
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Es
wurde festgestellt, dass die besten Ergebnisse erhalten wurden mit
Werten zwischen 4 und 6%.
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Der
zweite Gehalt an Gadoliniumoxid (Gd2O3), der höher
ist als der erste Gehalt, kann seinerseits beispielsweise zwischen
5 und 15% liegen. Er kann somit 5%, 6%; 7%; 8%; 9%; 10%; 11%; 12%; 13%;
14% oder 15% betragen.
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Die
Anzahl der Brennstäbe 15 und 17 kann ebenfalls
verschieden sein von den vorgenannten. Man kann beispielsweise Bündel 1 verwenden,
die 8 Brennstäbe 15 und
12 Brennstäbe
umfassen, und man kann Bündel 21 mit
8 Brennstäben 15 und
8 Brennstäben 17,
gegebenenfalls zusammen mit anderen Bündeln mit 8 Brennstäben 15 und
4 Brennstäben 17 verwenden.
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Ganz
allgemein kann die Anzahl und die Anordnung der Bündel, die
Gadolinium enthalten, in dem Reaktorkern (der Spaltzone) 23 verschieden sein
von derjenigen, wie sie in der 4 dargestellt ist.
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Desgleichen
kann der Gehalt der Brennstäbe 15 und 17,
die Gadolinium enthalten, an Uran 235 verschieden sein von demjenigen
der Brennstäbe, die
kein Gadolinium enthalten, und er kann beispielsweise niedriger
als dieser sein.
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Ganz
allgemein kann das Brennelement Uranoxid enthalten, das angereichert
ist an dem Isotop 235 und/oder an Plutonium.