DE69007635T2

DE69007635T2 - Brennstab für den Einsatz in Kernbrennstabbündel.

Info

Publication number: DE69007635T2
Application number: DE69007635T
Authority: DE
Inventors: Thomas Raphael Freeman
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1989-01-27
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: ES2050282T3; EP0379947B1; EP0379947A3; US4994233A; EP0379947A2; EP0379947B2; JPH02232591A; JP2823053B2; DE69007635D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennelemente für einen Kernreaktor und mehr im einzelnen auf Brennstäbe zur Verwendung hierin.
In einem typischen Druckwasser-Kernreaktor (PWR) enthält der Reaktorkern eine große Anzahl von Brennelementen, die jeweils aus einer Vielzahl länglicher Brennstäbe zusammengesetzt sind, die mit gegenseitigen Querabständen angeordnet sind. Die Brennstäbe enthalten Spaltmaterial und sind in einer Anordnung gruppiert, die so organisiert ist, daß in dem Kern ein ausreichend hoher Neutronenfluß erzeugt wird, um eine hohe Kernspaltrate und folglich die Freisetzung einer großen Energiemenge in Form von Wärme aufrechtzuerhalten. Ein flüssiges Kühlmittel wird nach oben durch den Reaktorkern hindurchgepumpt, um einen Teil der im Reaktorkern erzeugten Wärme zwecks Erzeugung von Nutzarbeit abzuführen.
Das in jedem Brennstab enthaltene Spaltmaterial ist typischerweise angereichertes Uran (beispielsweise Uran mit 4 Gew.-% U-235 in U-238), das in Form eines Stapels von Brennstofftabletten vorliegt. Die Reaktion, die Energie in einem Kernreaktor erzeugt, ist die neutroneninduzierte Spaltung von angereicherten Uranatomen. Jedoch haben an den beiderseitigen Enden des Brennstoffstapels freigesetzte Neutronen eine größere Wahrscheinlichkeit des Austritts aus dem Reaktorkern als Neutronen in dem zwischen den Enden liegenden Brennstabbereich. Da diese entweichenden oder ausleckenden Neutronen keine weiteren Spaltungen mehr erzeugen können, ist ein Auslecken von Neutronen nutzlos und teuer und sollte deshalb vermindert werden.
Aufgrund des Entweichens eines größeren Anteils von Neutronen an den beiderseitigen Enden des Brennstabs ist die Verteilung der Spaltvorgänge induzierenden Neutronen entlang der Achse der Brennstäbe annähernd cosinusförmig. Im Ergebnis ist die Erschöpfung des spaltbaren Brennstoffs bzw. die Abbrandverteilung entlang der Länge eines Brennstabs ungleichförmig, da die Enden des Brennstabs weniger Abbrand als der Mittenbereich aufweist. Dies bedeutet eine unwirtschaftliche Ausnutzung des angereicherten Urans in den Brennstabendbereichen. Da mehr als 70% der gesamten Brennstoffzykluskosten für Kauf und Anreicherung von Uran anfallen, um sicherzustellen, daß genügend angereichertes Uran vorhanden ist, um die Spaltkettenreaktion aufrechtzuerhalten, würden Maßnahmen, welche die Anzahl von aus dem Kern entweichenden Neutronen verringern können, zu beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteilen führen.
Eine bekannte Möglichkeit der Verringerung des Ausleckens von Neutronen und der sich daraus ergebenden Unwirtschaftlichkeit ist die Schaffung axialer Brutzonen im oberen und unteren Endbereich der Brennstäbe durch Ersetzen der Tabletten aus angereichertem Uran durch Tabletten aus natürlichem Uran (d.h. aus Uran, das 0,71 Gew.-% U-235 in U-238 aufweist) in kurzen Bereichen an beiden Enden des Brennstabs. In dem VANTAGE+ PWR-Brennstäben, die von der Erwerberin der vorliegenden Erfindung hergestellt und vermarktet werden, haben axiale Brutzonentabletten typischerweise die Form von massiven geraden Zylindern, obwohl auch ringförmige Tabletten für axiale Brutzonen gewünschtenfalls verfügbar sind, um mehr Raum für die Freisetzung von Spaltgas zu schaffen. Beispielsweise in dem VANTAGE+ PWR-Brennelement ist jeder Brennstab etwa 3,65 m lang, jeder Abschnitt von Brutzonentabletten aus natürlichem Uran an jedem der beiderseitigen Enden ist 15,25 cm lang, und der übrige Tablettenstapel aus angereichertem Uran zwischen den axialen Brutzonen hat eine Länge von 3,35 m. Da diese axialen Brutzonen weniger Uran 235 enthalten, geben sie weniger Neutronen ab, die aus dem Reaktorkern auslecken können.
Axiale Brutzonen verringern die Neutronenleckrate um etwa 50% und dienen zur Erzeugung von Plutonium durch Absorption von Neutronen. Da Plutonium spaltbares Material ist, verbessern die Brutzonentabletten die Abbrandverteilung in gewissem Maße. Jedoch setzen axiale Brutzonen am Beginn der Standzeit (BOL) weniger Neutronen frei als gegen das Ende der Standzeit (EOL) des Reaktorkerns, wenn mehr Plutonium erzeugt wird. Dies bedeutet, daß im Falle von axialen Brutzonen am Standzeitende eine größere Neutronenleckage vorhanden ist als am Standzeitbeginn, was gerade das Gegenteil des wünschenswerten Zustands darstellt. Infolgedessen können selbst Brennstäbe, die an ihren beiderseitigen Enden axiale Brutzonen aufweisen, keinen vollen Abbrand erzielen und sie erreichen deshalb in solchen Bereichen weniger als die optimale Brennstoffausnutzung.
Eine andere Möglicihkeit die in der EP-A-0 093 903 entsprechend der ebenfalls der Erwerberin der vorliegenden Erfindung übertragenen US-A-4 493 814 beschrieben ist, ist das Ersetzen der Tabletten in einem inneren axialen Bereich jeder axialen Brutzone und in einem äußeren axialen Bereich der beiderseitigen Enden der verbleibenden Standardtabletten durch eine Reihe von Brennstofftabletten niedriger Dichte. Die zwischen diesen Tabletten niedriger Dichte verbleibenden Tabletten können Brennstofftabletten mit Standarddichte sein. Beispielsweise haben nun die axialen Brutzonen jeweits eine Länge von etwa 10 cm, und jede Reihe von Tabletten niedriger Dichte ist etwa 10 cm lang, und die dazwischen verbleibenden Standardtabletten haben eine Länge von 3,25 m. Diese Tabletten niedriger Dichte können hohle ringförmige Tabletten, Tabletten geringerer Dichte, kleinere Tabletten oder von anderer Gestaltung sein, welche die Uranbeladung pro Einheitslänge verringert. Die Anreicherung dieser Tabletten niedriger Dichte mit Uran 235 ist typischerweise die gleiche wie bei den standardangereicherten Urantabletten des Stabes. Von dieser letzteren Möglichkeit wird vermutet, daß sie die Neutronenflußverteilung und folglich die resultierende Abbrandverteilung und die Ausnutzung des Urans über die bloße Verwendung axialer Brotzonen hinaus verbessert. Während das Vorsehen der Tabletten niedriger Dichte in der US-A-4 493 814 ein Schritt die richtige Richtung zu sein scheint, kann dieser Ansatz doch nicht optimale Ergebnisse hinsichtlich des Uranabbrands und der Uranausnutzung erreichen.
Eine noch weitere Möglichkeit, die in der der Erwerberin der vorliegenden Erfindung übertragenen US-A-4 487 629 beschrieben ist, ist die Ausbildung eines Brennstabs mit einem vollständigen Stapel ringförmiger Ringstofftabletten mit der gleichen U-235-Anreicherung und unterschiedlichen Ringgrößen für eine abgestufte Anreicherungsbeladung. Diese für einen Siedewasserreaktor (BWR)-Brennstab entworfene Ausbildung erscheint nicht als optimale Auslegung für Uranabbrand und Uranausnutzung in einem Druckwasserreaktor-Brennstab.
Folglich ist es das Hauptziel der Erfindung, weitere Verbesserungen zu schaffen, die optimale Ergebnisse versprechen.
Anders als bei dem herkömmlichen Druckwasserreaktor-Brennstab nach der EP-A-0 093 901 hat der Brennstab nach der Erfindung keine axialen Brutzonenbereiche an seinen beiderseitigen Enden aus Brennstofftabletten aus natürlichem Uran. Des weiteren benötigt der Brennstab nach der Erfindung im Gegensatz zu herkömmlichen Druckwasserreaktor-Brennstäben und anders als der Siedewasserreaktor-Brennstab nach der US-A-4 687 629 keine lange Sammelkammer zwischen seinem oberen Endstopfen und dem darunter befindlichen Brennstofftablettenstapel und braucht deshalb keine Endkammerfeder oder eine andere, den Stapel sichernde Konstruktion, was eine größere Tablettenstapellänge ermöglicht. Darüberhinaus erreicht der Brennstab nach der Erfindung ein optimales Ergebnis hinsichtlich des Brennstoffabbrands und der Brennstoffausnutzung, ohne daß eine Änderung jeder Brennstofftablette in dem Stapel erforderlich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines herkömmlichen Druckwasserreaktor-Brennelements, in welchem die Brennstäbe nach der Erfindung eingesetzt werden sollen, wobei das Brennelement in vertikal verkürzter Form und mit der Klarheit halber abgebrochenen Teilen dargestellt ist,
Fig. 2 einen vergrößerten, längenmäßig verkürzten Axialschnitt eines herkömmlichen Brennstabs,
Fig. 3 einen vergrößerten, längenmäßig verkürzten Axialschnitt eines Brennstabs nach einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 einen vergrößerten, längenmäßig verkürzten Axialschnitt eines Brennstabs nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt einer Brutzonenbrennstofftablette aus natürlichem Uran entlang der Linie 5-5 in Fig. 2,
Fig. 6 einen vergrößerten Querschnitt einer Standardbrennstofftablette aus angereichertem Uran entlang der Linie 6-6 in Fig. 2,
Fig. 7 einen vergrößerten Querschnitt einer ringförmigen Brennstofftablette aus angereichertem Uran mit einer ersten Hohlraumgröße längs der Linie 7-7 in Fig. 3,
Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt einer ringförmigen Brennstofftablette aus angereichertem Uran mit einer anderen Hohlraumgröße längs der Linie 8-8 in Fig. 4,
Fig. 9 einen vergrößerten Axialschnitt einer Standardbrennstofftablette aus angereichertem Uran,
Fig. 10 einen vergrößerten Axialschnitt einer ringförmigen Brennstofftablette aus angereichertem Uran mit der genannten einen Hohlraumgröße,
Fig. 11 einen vergrößerten Axialschnitt einer ringförmigen Brennstofftablette aus angereichertem Uran mit der genannten anderen Hohlraumgröße,
Fig. 12 einen Querschnitt längs der Linie 12-12 in Fig. 9,
Fig. 13 einen Querschnitt längs der Linie 13-13 in Fig. 10, und
Fig. 14 einen Querschnitt längs der Linie 14-14 in Fig. 11.
In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen Darstellungen der Zeichnungen, und Begriffe wie beispielsweise "vorwärts", "rückwärts", "links", "rechts", "aufwärts", "abwärts", und dgl. sind lediglich zweckmäßigkeitshalber gewählt und nicht in einschränkendem Sinn zu verstehen.
Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, und das dort dargestellte und allgemein mit 10 bezeichnete Brennelement besteht grundsätzlich aus einer unteren Endkonstruktion bzw. einem Fußstück 12 zur Halterung des Brennelements auf der unteren Kerntragplatte (nicht dargestellt) im Kernbereich eines Reaktors (nicht dargestellt), mehrere Führungsrohren 14, die in Längsrichtung vom Fußstück 12 nach oben verlaufen, Quergittern 16, die mit Axialabständen entlang der Führungsrohre 14 angeordnet sind, einer organisierten Anordnung länglicher Brennstäbe 18, die von den Gittern 16 mit Querabstand gehalten und abgestützt werden, einem in der Mitte des Brennelements befindlichen Instrumentierungsrohr 20, und einer oberen Endkonstruktion bzw. einem Kopfstück 22, das auf den oberen Enden der Führungsrohre 14 befestigt ist. Jeder der Brennstäbe 18 enthält Kernbrennstofftabletten 24 und ist an seinen beiden Enden mittels Endstopfen 26, 28 gasdicht abgeschlossen. Üblicherweise ist zwischen den oberen Endstopfen 26 und den Tabletten 24 eine Endkammerfeder 30 eingesetzt, um die Tabletten innerhalb des Brennstabs 18 fest gepackt zu halten. Die Brennstofftabletten 24, die aus spaltbarem Material bestehen, sind für die Erzeugung der reaktiven Leistung im Kernreaktor verantwortlich. Ein flüssiges Moderator/Kühlmittel wie beispielsweise Wasser oder Bor enthaltendes Wasser wird durch die Brennelemente des Reaktorkerns nach oben hindurchgepumpt, um Wärme zum Zwecke der Erzeugung von Nutzarbeit abzuführen.
Um den Spaltvorgang zu regeln, sind Steuerstäbe 32 in den Führungsrohren 40 hin- und herbeweglich, die an vorgegebenen Positionen innerhalb des Brennelements 10 angeordnet sind. Im einzelnen weist das Kopfstück 22 einen Stabbündelsteuermechanismus 34 mit einem mit Innengewinde versehenen zylindrischen Bauteil 36 auf, von welchem Speichen oder Arme 38 radial wegragen, mit denen die Steuerstäbe 32 verbunden sind, und der Steuermechanismus 34 ist betätigbar, um die Steuerstäbe 32 axial innerhalb der Führungsrohre 14 zu verschieben, wie auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Brennstofftabletten 24 in dem herkömmlichen Brennstab 18 eingeteilt in Tabletten 24A, die in beiderseitigen Endbereichen 40 des Stapels angeordnet sind, und Tabletten 24B, die im mittleren Bereich 42 angeordnet sind. Die Tabletten 24A in den beiderseitigen Endbereichen des Stapels bestehen aus natürlichem Urandioxid (siehe auch Fig. 5), und stellen deshalb das dar, was oben als axiale Brutzonen beschrieben worden ist. Die Tabletten 24B im mittleren bzw. dazwischenliegenden Bereich 42 des Stapels bestehen aus angereichertem Urandioxid (siehe auch Fig. 6), und stellen deshalb das dar, was oben als Standardtabletten beschrieben worden ist.
Es wird nun auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, die zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, und die dort gezeigten Brennstäbe 44, 46 sind dem Brennstab 18 in Fig. 2 insoweit ähnlich, als sie jeweils ein längliches hohles Hüllrohr 48 und zwei Endstopfen 50, 52 aufweisen, welche das Hüllrohr 48 an den beiderseitigen Enden verschließen.
Gemäß der Erfindung enthält jeder der Brennstäbe 44, 46 Brennstofftabletten 54, die zwischen den Endstopfen 50, 52 an den beiderseitigen Enden des Hüllrohrs 48 gestapelt verlaufen, und die alle aus spaltbarem Material mit einer einzigen Anreicherung bestehen, beispielsweise aus Uran, das 4,0 Gew.-% U-235 in U-238 enthält. Darüberhinaus weist keiner der Brennstäbe 44, 46 eine Endkammer oder eine Endkammerfeder auf; stattdessen bilden die Brennstofftabletten 54 in jedem Brennstab 44 bzw. 46 einen Stapel mit einer Länge, die geringfügig kleiner als der Abstand zwischen den Endstopfen 50, 52 an den beiderseitigen Enden des Hüllrohrs 48 ist. Wenn also das Hüllrohr 48 in vertikaler Orientierung steht, sitzt der Stapel der Tabletten 54 mit seinem unteren Ende auf dem unteren Endstopfen 52 auf und ist von dem oberen Endstopfen 50 durch einen Spalt 56 beabstandet. Im Spalt 56 befindet sich keinerlei Bauteil wie beispielsweise eine Endkammerfeder, um das obere Ende des Stapels der Tabletten 54 an einer Bewegung auf den oberen Endstopfen 50 hin zu hindern.
Des weiteren sind die Brennstofftabletten 54 in den Brennstäben 44, 46 in zwei unterschiedlichen Anordnungen von Axialbereichen der Tabletten 54 angeordnet. In jedem der Brennstäbe 44, 46 umfaßt die Anordnung von Axialbereichen von Tabletten 54 zwei erste Axialbereiche 58, die an den beiderseitigen Enden des Tablettenstapels 54 gebildet sind. Die Tabletten 54A in den beiden ersten Axialbereichen 58 beider Brennstäbe 44, 46 haben gleiche Anzahl und haben im wesentlichen die gleiche Ringkonfiguration mit einem Ringkörper 60 einer ersten Hohlraumgröße, wie in den Fig. 3, 4, 7, 10 und 13 gezeigt ist. Diese ringförmigen Tabletten 54A nehmen die Stelle der axialen Brutzonentabletten 24a in den beiderseitigen Endbereichen 40 des herkömmlichen Brennstabs 18 ein, der in Fig 2 gezeigt ist. Vorzugsweise beträgt die erste Hohlraumgröße jeder Tablette 54A in den ersten Axialbereichen 58 etwa 45% des Tablettenvolumens.
In dem Brennstab 54 nach Fig. 3 umfaßt die Anordnung von Axialbereichen der Tabletten 54 nur einen zweiten axialen Bereich 62 zwischen den ersten Axialbereichen 58. Die Tabletten 54B in diesem zweiten Axialbereich 62 haben eine massive Konfiguration, wie in den Fig. 6, 9 und 12 gezeigt ist, und sie sind identisch mit den Tabletten 24B im Mittelbereich 42 des in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Brennstabs 18.
Im Unterschied zu dem Brennstab 44 nach Fig. 3 umfaßt die Anordnung von Axialbereichen von Tabletten 54 in dem Brennstab 46 nach Fig. 4 noch zweite und dritte Axialbereiche 64, 66, die in Tandemanordnung zwischen den ersten Axialbereichen 58 gebildet sind. Die Tabletten 54C im zweiten Axialbereich 64 des Brennstabs 46 haben im wesentlichen die gleiche ringförmige Konfiguration mit einem Ringkörper 68 mit einer zweiten Hohlraumgröße (Fig. 4, 8, 11 und 14) die kleiner als die erste Hohlraumgröße des Ringkörpers 60 der Tabletten 54A in den ersten Axialbereichen 58 ist. Die zweite Hohlraumgröße jeder Tablette 54C im zweiten Axialbereich 64 beträgt etwa 10% des Volumens der Tablette 54C. Die Tabletten 54B im dritten Axialbereich 36 haben eine massive Konfiguration und sind im wesentlichen identisch mit den Tabletten 54B im zweiten Axialbereich 62 des in Fig. 3 gezeigten Brennstabs 44.
Folglich weist der Brennstab 46 vier Axialbereiche 58, 64, 66 von Tabletten 54 auf. Drei dieser vier Bereiche sind unterschiedliche. Alle Bereiche enthalten Tabletten aus angereichertem Brennstoff, und zwei der drei Arten sind ringförmig. Gewöhnlich ist die Anreicherung in allen Bereichen die gleiche. Abgesehen von dem Umstand, daß einige der Brennstofftabletten 54 ringförmig sind, besteht ein weiteres wichtiges Merkmal des Brennstofftablettenstapels darin, daß er etwa 12,5 cm länger als der Brennstoffstapel in dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Brennstab 18 ist.
Bezüglich beider Brennstäbe 44, 46 gibt es vier Hauptgründe dafür, die ringförmigen Tabletten 54A in den ersten Axialbereichen 58 an den beiderseitigen Enden des Tablettenstapels, also an den entgegengesetzten Enden des Reaktorkerns, vorzusehen.
Erstens bringen die ringförmigen Tabletten 54A zusätzliches Hohlraumvolumen in den Brennstäben, was notwendig ist, weil die normale Sammelkammer am oberen Ende des Tablettenstapels 24, wie es bei dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Brennstab 18 verwendet wird, wegen des längeren Brennstoffstapels in den Brennstäben 44, 46 stark verringert ist.
Zweitens bringen die ringförmigen Tabletten 54 eine Steigerung des thermischen Flusses an den Enden des Reaktorkerns, was wünschenswert ist, um den Abbrand des angereicherten Brennstoffs in diesen Endbereichen zu steigern. Um eine beträchtliche Steigerung zu erreichen, ist es notwendig, eine beträchtliche Änderung im H/U-Verhältnis vorzunehmen. Es wurde eine Änderung etwa um den Faktor 2 vorgenommen.
Drittens brennt der Brennstoff als Ergebnis der Veränderung im H/U-Verhältnis in diesen Bereichen schneller aus, als dies normalerweise der Fall sein würde, und weil dort am Anfang des Abbrands weniger Brennstoff vorhanden ist, ist die bei EOL an den Enden des Reaktorkerns erzeugte Energiemenge klein, wodurch dies ein Brennstoff mit geringer axialer Leckage wird.
Viertens gilt bei BOL genau das Gegenteil. Die relative Leistung an den Reaktorkernenden ist höher, als sie normalerweise wäre (das ist der Grund, daß die Bereiche schneller ausbrennen). Diese höhere Leistung führt zu einem geringeren Spitzenfaktor im Reaktorkern, da der übrige Reaktorkern etwas weniger Leistung bringen kann.
Mit Bezug auf den Brennstab 46 gibt es drei hauptsächliche Gründe für die Anordnung der ringförmigen Tabletten 54C im zweiten Axialbereich 64 in der oberen Hälfte des Reaktorkerns unter dem oberen Axialbereich 58 am oberen Ende des Reaktorkerns.
Erstens bringen die ringförmigen Tabletten 54C zusätzliches Hohlraumvolumen, um den wegen des längeren Tablettenstapels verlorenen Teil des Sammelraums am oberen Tablettenstapelende auszugleichen.
Zweitens verbessern die ringförmigen Tabletten 54C den LOCA (loss-of-coolant accident (Unfall durch Kühlmittelverlust))- Sicherheitsbereich. Dies ergibt sich auf zweierlei Weise, nämlich: a) die Tablettentemperaturen werden wegen des Vorhandenseins des Ringkörpers verringert, und diese Verringerung der mittleren Tablettentemperatur bedeutet, daß die gespeicherte Energie der Tablette geringer ist, was einen LOCA-Vorteil bringt, und b) weil weniger Brennstoff in der oberen Hälfte des Reaktorkerns vorhanden ist, wird dort weniger Energie erzeugt. Da im unteren Teil des Reaktorkerns mehr LOCA-Sicherheitsspielraum vorhanden ist, ist es vorteilhaft, dort relativ mehr Energie zu erzeugen. Dies ergibt eine bessere Leistungsanpassung an den Sicherheitsspielraum.
Drittens wird wegen der Verwendung der ringförmigen Tabletten 54C Brennstoff aus der oberen Hälfte des Reaktorkerns herausgenommen, wodurch das H/U-Verhältnis in der oberen Hälfte des Reaktorkerns vergrößert wird, was zu einem Vorteil hinsichtlich der Brennstoffzykluskosten (FCC) führt. Dies ist besser als das Vornehmen einer gleichförmigen H/U-Änderung im gesamten Reaktorkern, weil es eine bessere Anpassung an die tatsächliche Wasserdichte im Reaktorkern ergibt, die mit der Höhe im Reaktorkern abnimmt.
Bei dem Brennstab 46 gibt es zwei hauptsächliche Gründe für die Verwendung der massiven Standardtabletten 54B im dritten Axialbereich 66 in der unteren Hälfte des Reaktorkerns über dem unteren Axialbereich 58 am unteren Ende des Reaktorkerns.
Erstens ist ein größerer Teil des Brennstoffs im Brennstab dort lokalisiert, wo das Wasser dichter ist, was einen FCC- Vorteil ergibt. Die Anpassung an das optimale H/U-Verhältnis ist besser.
Zweitens verschiebt mehr Brennstoff im unteren Bereich die Leistung dorthin, wo ein größerer LOCA-Sicherheitsspielraum vorhanden ist.
Des weiteren ist, obwohl das Sammelkammervolumen am oberen Ende des Brennstabs 44, 46 (von etwa 17,75 cm auf etwa 5 cm) verkürzt ist, da der Tablettenstapel verlängert worden ist, das tatsächliche Sammelraumvolumen im Reaktorkern etwa um einen Faktor 2 vergrößert, und obwohl eine Brennstoffstapelverlängerung um etwa 12,7 cm in den Brennstäben 44, 46 vorgenommen ist, ist die Brennstoffmasse in den Brennstäben wegen der Vergrößerung des Sammelraumvolumens durch die ringförmigen Tabletten 54A, 54C verringert. Diese Massenverringerung bedeutet nicht, daß aus einem Brennelement mit diesen Brennstäben weniger Energie erreichbar ist, weil die ringförmige Konstruktion den Brennstoff gleichförmiger abbrennt, so daß der mittlere Abbrand des Brennstabs ohne Steigerung des Spitzenabbrands erhöht werden kann. Beispielsweise erzeugen die ringförmigen endständigen Axialbereiche 58 der Brennstäbe 44, 46 mehr Energie pro Einheitslänge als die axialen Brutzonenbereiche 40 des herkömmlichen Brennstabs 18. Dies bedeutet außerdem, daß die in den ersten Axialbereichen 58 der Brennstäbe 44, 46 erforderliche U-235-Spitzenanreicherung geringer als bei vergleichbaren Brennstäben ist. Folglich wird trotz der verringerten Brennstoffmasse mehr Energie pro Brennstoffmasseneinheit erzeugt, wodurch es etwas leichter wird, Reaktorkerne mit höherem Abbrand und verringerter Bereichsgröße zu konstruieren.
Schließlich, weil der obere Sammelkammerbereich in jedem der Brennstäbe 44, 46 ein Spalt 56 mit einer Länge (kleiner als 5 cm) ist, die nicht ausreicht, daß der Brennstofftablettenstapel 54 bei Axialbewegung innerhalb des Hüllrohrs 48 eine Beschleunigung erreichen kann, die eine Gefahr der Beschädigung der Brennstofftabletten 54 beim Aufschlag des Stapels auf einen der Endstopfens 50, 52 begründet, ist keine Feder, Klammer oder ein sonstiges Bauteil notwendig, um den Brennstofftablettenstapel an einer Bewegung zu hindern. Natürlich vereinfacht der Wegfall der Notwendigkeit einer solchen Feder, Klammer oder eines anderes bewegungshemmenden Bauteils des Herstellungsvorgang wesentlich und führt auch zu einer weiteren kleinen Vergrößerung der Sammelkammer.

Claims

1. Kernbrennstab (44) bzw. (46) mit einem länglichen Hüllrohr (78), das einen Stapel aus Brennstofftabletten (54) enthält und an seinen beiden Enden mittels zweier Endstopfen (50, 52) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche im Hüllrohr (48) enthaltene Brennstofftabletten (54) aus spaltbarem Material bestehen, das über den Pegel der natürlichen Anreicherung hinaus angereichert ist, und daß die Brennstofftabletten (54) in dem Stapel in axialen Bereichen angeordnet sind, die zwei erste axiale Bereiche (58) an den beiderseitigen Enden des Stapels enthalten, in denen die Brennstofftabletten (54A) ringförmige Konfigurationen mit einem Ring (60) vorgegebener Hohlraumgröße haben.

2. Kernbrennstab (44; 46) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus Brennstofftabletten (54) eine Länge aufweist, die nur einen kleinen Spalt (56) zwischen dem Stapel und dem Endstopfen (50) am oberen Ende des Hüllrohrs (48) hat, wenn der Brennstab sich in aufrechter Position befindet, wobei der Spalt (56) keinerlei Bauteile enthält.

3. Kernbrennstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstofftabletten (54A) in den genannten ersten axialen Bereichen (58) gleiche Anzahl haben.

4. Kernbrennstab (44; 46) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumgröße jeder Tablette (54A) in den genannten ersten axialen Bereichen (58) etwa 40% des Volumens der Tablette (54A) beträgt.

5. Kernbrennstab (44; 46) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material Urandioxid mit einfacher U-235-Anreicherung ist.

6. Kernbrennstab (44) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der axialen Bereiche einen zweiten axialen Bereich (62) enthält, der zwischen den ersten axialen Bereichen (58) verläuft, wobei die Tabletten (54B) in dem zweiten axialen Bereich (62) massive Konfigurationen haben.

7. Kernbrennstab (46) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der axialen Bereiche zweite und dritte axiale Bereiche (64, 66) umfaßt die in gegenseitiger Tandemanordnung zwischen den ersten axialen Bereichen (58) verlaufen, wobei die Tabletten (54C) in dem zweiten axialen Bereich ringförmige Konfigurationen mit einem Ring mit kleinerer Hohlraumgröße als dem Ring (60) irgendeiner Tablette (54A) in den ersten axialen Bereichen (58) haben.

8. Kernbrennstab (46) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumgröße jeder Tablette (54C) in dem zweiten axialen Bereich (58) etwa 10% des Volumens der Tablette (54C) beträgt.

9. Kernbrennstab (46) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten (54B) in dem dritten axialen Bereich (66) massive Konfigurationen haben.