DE69505059T2

DE69505059T2 - Spaltzone eines Kernreaktors und Brennstoffbündel eines Leichtwasser gekühlten Kernreaktors

Info

Publication number: DE69505059T2
Application number: DE69505059T
Authority: DE
Inventors: Motoo Mito-Shi Ibaraki 310 Aoyama; Masanao Hitachi-Shi Ibaraki 316 Moriwaki; Renzo Kawasaki-Shi Kanagawa 215 Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1995-07-06
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: DE69526374D1; EP0691657B1; EP0856852A1; EP0691657A1; US5812621A; JPH0821890A; US5940461A; DE69526374T2; DE69505059D1; EP0856852B1; JP3428150B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktorkern eines leichtwassergekühlten Kernreaktors und eine Brennelementkassette, die den Reaktorkern bildet und insbesondere einen Reaktorkern eines leichtwassergekühlten Kernreaktors und eine Brennelementkassette mit dem Ziel, Plutonium (Pu) bei einem Brütverhältnis von ungefähr 1,0 oder wenig größer als 1,0 mehrfach zu recyclen, während die Wirtschaftlichkeit und die Sicherheit auf dem gleichen Niveau wie bei heutzutage betriebenen Siedewasserreaktoren (BWR) ist, d. h. während die Struktur im Inneren des Kerns wenig geändert wird und ein negativer Dampfblasenkoeffizient erhalten bleibt.
In einem Kernreaktor erfolgt der Verbrauch von spaltbarem Material, wie Uran-235 und Plutonium-239 und der Übergang von brütbaren Brennstoffmaterialien, sowie Uran-238 und Plutonium-240 in spaltbare Materialien durch Kernreaktionen. Das Verhältnis zwischen einem Betrag von spaltbaren Materialien, die in Brennstoffen enthalten sind und aus dem Reaktorkern entfernt werden und dem Betrag von spaltbaren Materialien, die in den Reaktorkern geladen werden sollen, nennt man Brütverhältnis. Es beträgt in den bekannten leichtwassergekühlten Kernreaktoren ungefähr 0,5. Ein Verfahren, die Uranquellen effektiv zu nützen liegt in der Erhöhung des Brütverhältnisses.
USA-4 678 618, das der japanischen Patentschrift Sho 55- 10591 in Nuclear Technologie, Band 59, Seiten 212-227, 1982, entspricht, beschreibt, daß das Brütverhältnis verbessert werden kann, wenn Brennstäbe in einem Dreiecksgittermuster eng angeordnet werden, um das Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis in einen Druckwasserreaktor zu vermindern. Das Brütverhältnis ist größtenfalls jedoch ungefähr 0,9 und für einen kontinuierlichen Betrieb müssen spaltbare Materialien hinzugefügt werden, ohne die Leistung zu verringern. Um das Brütverhältnis weiter zu vergrößern, könnte man den Brennstababstand verkleinern, um das Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis weiter zu verringern, jedoch stößt man bei der Herstellung von Brennelementkassetten und der Sicherung des thermischen Spielraums an Grenzen, wobei diese schwierig erreichbar ist.
Andererseits beschreibt die japanische Patentdruckschrift Hei 1-227993 ein Verfahren zur Reduktion des Wassers/Brennstoff-Volumenverhältnisses durch die Verwendung von Dampfblasen, die in einem Reaktorkern erzeugt werden und die ein Merkmal eines Siedewasserreaktors (BWR) sind. Es wurde im Stand der Technik gezeigt, daß das Plutonium-Brütverhältnis (das Verhältnis zwischen dem Betrag spaltbaren Plutoniums in den Brennstoffen, das vom Reaktorkern entfernt wurde und dem Betrag von spaltbarem, in den Brennstoffen enthaltenen Plutonium, das in den Reaktorkern geladen wird, d. h. ein Brütverhältnis relativ zu spaltbarem Plutonium) von ungefähr 1 ereicht wurde. Es konnte aber nicht gezeigt werden, daß ein Brütverhältnis von ungefähr 1, oder größer 1 erreicht wurde (ein Wert, der um 4 oder 5% geringer ist, wenn Natururan mit Plutonium angereichert wird). Ist das Plutonium-Brütverhältnis ungefähr 1, muß, Natururan für kontinuierlichen Betrieb mit Plutonium angereichert werden, ohne die Leistung zu verringern und die Uran-Resourcen können nicht vollkommen verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung bedeutet ein Brütverhältnis von ungefähr 1 einen Wert von 0,98 oder mehr.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Reaktorkerns und einer Brennelementkassette, die in der Lage sind, die Energieerzeugungskosten, den thermischen Sicherheitsspielraum auf ungefähr dem gleichen Niveau zu halten wie bei gegenwärtig benutzten leichtwassergekühlten Kernreaktoren, um zu einer stabilen Langzeitenergieversorgung beizutragen.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Reaktorkerns und einer Brennelementkassette mit einem Brütverhältnis von 1,0 mit Plutonium angereichertem abgereichertem Uran-Brennstoff durch die Reduzierung des Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnisses für den Beitrag zu einer stabilen Langzeitenergieversorgung.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Reaktorkerns und einer Brennelementkassette für den Betrieb von möglichst vielen Kernreaktoren mit einem vorbestimmten Plutoniumbestand, indem der benötigte Plutoniumbestand im Reaktor pro Energieeinheit gesenkt wird womit zu einer stabilen Langzeitenergieversorgung beigetragen wird.
Diese Aufgaben werden mit einem Reaktorkern und einer Brennelementkassette wie beansprucht erfüllt.
Abhängige Ansprüche beziehen sich auf Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Reaktorkerns und der erfindungsgemäßen Brennelementkassette.
Studien der vorliegenden Erfinder der Anmeldung führten zu folgenden Ergebnissen.
Die weltweiten Natururanquellen werden auf 15000000 t geschätzt, was einer Menge entsprechen würde, 1000 existierende leichtwassergekühlte Kernreaktoren mit einer Million kW elektrischer Leistung für ungefähr 100 Jahre zu versorgen. Als ein Ergebnis hiervon bleiben ungefähr 15000000 t abgereichertes Uran und 15000 t von spaltbaren Plutonium übrig. Somit kann ein Siedewasserreaktor mit erneuerbaren Quellen (RBWR) mit einem Brütverhältnis von 1,0 eine Kernspaltung für abgereichertes Uran weiterhin betreiben, indem Brennstoffe verwendet werden, die plutoniumangereichertes abgereichertes Uran mit einem katalysatorähnlichen Effekt von Plutonium mit einem inneren und äußeren Bestand von spaltbaren Plutonium von 10 t pro 1000000 kW elektrischer Leistung verwenden. Da Uran eine Wärmeleistung von ungefähr 1 MW pro 1 g erzielt, können 1 5000 RBWR-Einheiten für 10000 Jahre arbeiten und die gesamten Uranbestände könnten gänzlich verwendet werden, so daß dies zur ersten Aufgabe der Langzeitversorgung beitragen kann.
Die zweite Aufgabe wird durch die unten beschriebenen Funktionen erreicht. Die Studien der Erfinder wurde für die Beziehung zwischen dem Brütverhältnis und dem effektiven Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis im Reaktorkern eines leichtwassergekühlten Kernreaktors führten zu folgenden Ergebnissen. Das effektive Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis [(Vm/Vf)eff] wird vom geometrischen Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis [(Vm/Vf)geo, Wasser/Brennstoff- Volumenverhältnis, das keine Dampfblasen erzeugt] erweitert, indem die Erzeugung von Dampfblasen im Reaktorkern berücksichtigt wird. Wird das Wasserstoff-Dichteverhältnis aufgrund der Erzeugung von Dampfblasen F verringert, so gilt folgende Beziehung:
(Vm/Vf)eff = F(Vm/Vf)geo (Gleichung 1)
Weiterhin steht F in folgendem Zusammenhang mit dem mittleren Dampfblasenanteil V (%) für den Reaktorkern.
F = (100 - V)/100 + fV/100,
wobei,
f: Verhältnis von gesättigter Dampfdichte zu gesättigter Wasserdichte.
Im allgemeinen ist der Wert von f ungefähr 1/20 und F kann wie folgt genähert werden:
F = (100 - V)/100.
Fig. 2 zeigt eine Konversionsrate, die durch ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis und Neutronengleichgewicht definiert ist und die Beziehung zwischen jedem der drei Faktoren zeigt, die die Konversionsrate darstellen:
Konversionsrate = α (1 + β) - (1 + γ) (Gleichung 2),
wobei
α: die Zahl der neu erzeugten Neutronen ist, wenn ein Neutron in einem spaltbaren Material absorbiert wurde und ein spaltbares Material vernichtet wurde.
β: Zusätzlicher Beitrag durch Kernspaltung von brütbarem Brennstoffmaterial in einem Hochgeschwindigkeitsenergiebereich.
g: Verhältnis von verbrauchendem Neutroneneinfang in bezug auf Neutronenabsorption durch spaltbares Material (inklusive Neutronenverlust).
In heute betriebenen leichtwasergekühlten Reaktoren liegt das effektive Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis bei ungefähr 2,0 und das Brütverhältnis beträgt ungefähr 0,5. Will man ein Brütverhältnis von ungefähr 1 erreichen, muß die Konversionsrate ungefähr 1 sein. In den Studien der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß das Brütverhältnis von ungefähr 1 bei einer Konversionsrate von 0,85 oder mehr erreicht werden kann, indem die Anreicherung von spaltbarem Plutonium in einem Bereich erhöht wird, der später beschrieben wird, und indem der Neutronenverlust des Mantels erhöht wird. Für dieses Ziel beträgt das effektive Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis 0,6 oder weniger. Will man andererseits ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,1 oder weniger erreichen, muß der mittlere Dampfblasenanteil für den Reaktorkern 70% übersteigen, so daß der Zweiphasenflußzustand am Ausgang des Reaktorkerns beim Übergang nicht mehr gehalten werden kann.
Das effektive Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,1 kann erreicht werden, indem die Brennstäbe eng angeordnet werden, indem die in dem Reaktorkern erzeugten Dampfblasen verwendet werden oder, wenn die Kontrollstäbe nicht eingefahren sind, indem ein Folgestab bei der Einführposition des Kontrollstabes eingeführt wird und der Moderator somit ausgeschlossen wird, oder indem diese drei Mittel kombiniert werden. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Zusammenhangs zwischen dem Brennstababstand und dem geometrischen Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis. In Fig. 3 liegt der Durchmesser eines Brennstabes im Bereich von ungefähr 9,5 bis 12,3 mm, was im Moment in leicht wasergekühlten Reaktoren verwendet wird, mit einem regulären Dreiecksbrennstabgitter. Wird der Brennstababstand auf 2 mm oder weniger vermindert, so ist (VM/Vf)geo des Brennstabgitters 0,9 oder weniger. In dem Fall, in dem die Brennelementkassette Brennstäbe aufweist, die eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind, ist der Wert von (Vm/Vf)geo der Brennelementkassette um 0,1 bis 0,2 größer als (Vm/Vf)geo des Brennstabgitters was einen freien Bereich oder einen Bereich zum Einführen eines Kontrollstabes zwischen die Brennelementkassetten betrifft. Will man erfindungsgemäß bei dem geometrischen Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis das effektive Wasser/Brennstoff- Volumenverhältnis von 0,6 oder weniger erreichen, ist es notwendig, den mittleren Dampfblasenanteil für den Reaktorkern auf 45% oder mehr bei Gleichung 1 festzusetzen (das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns ist 20% größer angesichts der in Fig. 27 gezeigte Beziehung). Bei einem Brennstababstand in einem Bereich von 0,7 (der minimale Wert für den Brennstababstand unter der Berücksichtigung der Herstellung der Brennelementkassette und Sicherung des thermischen Spielraums) bis 1 mm, (wobei es mehr als 1,0 mm sein kann, wenn der Durchmesser des Brennstabes größer als 9,5 mm ist) kann (Vm/Vf)geo andererseits auf 0,6 oder weniger bei dem Dampfblasenanteil von 0% vermindert werden.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der mittleren Anreicherung von spaltbarem Plutonium der Brennelementkassette und dem Brütverhältnis. Damit der Reaktorkern während der Betriebszeit in einem kritischen Zustand bleibt, ist es notwendig, die spaltbare Plutoniumanreicherung auf 6 Gew.-% oder mehr zu erhöhen. Während das Brütverhältnis mit der spaltbaren Plutoniumanreicherung abnimmt, wurde andererseits gefunden, daß das Brütverhältnis von ungefähr 1 bis zu 20 Gew.-% erhalten werden kann, indem der Anstieg des Reaktionsüberschusses verwendet wird und indem der Neutronenverlust an den Mantel wie oben beschrieben erhöht wird.
Als ein Mittel für die Kontrolle der Reaktivität kann ein Verfahren angesehen werden, indem ein clusterartiger Brennstab in die Brennelementkassette eingefahren wird, oder indem ein Y-artiger Kontrollstab am Rand der hexagonalen Brennelementkassette eingefügt wird oder indem ein kreuzförmiger Kontrollstab am Rand der quadratischen Brennelementkassette eingeführt wird. Ein Reaktorkern mit einem Brütverhältnis von 1,0 kann durch die Kombination der vorherigen Mittel erreicht werden.
Die dritte Aufgabe der Erfindung wird durch folgende Funktionen erreicht. In Studien des Erfinders wurde herausgefunden, daß die Höhe der Brennelementkassette (effektive Reaktorkernlänge: Länge über einen Bereich, der eine mittlere spaltbare Plutoniumanreicherung von 6 Gew.-% oder mehr über einen horizontalen Querschnitt hat) vermindert werden kann, während der thermische Spielraum sichergestellt wird, indem die Energie der Brennelementkassette pro horizontaler Querschnittseinheit des Reaktorkerns auf das gleiche Niveau gesetzt wird, wie bei den existierenden leichtwasergekühlten Siedewasserreaktoren. Durch die enge Anordnung der Brennstäbe zur Reduzierung des effektiven Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnisses auf 0,6 oder weniger ist die Anzahl der Brennstäbe pro horizontaler Querschnittsflächeneinheit 3- bis 4-mal größer als bei existierenden leichtwassergekühlten Siedewasserreaktoren. Die Höhe der Brennelementkassette (effektive Reaktorkernhöhe), die das gleiche Ausmaß an durchschnittlicher linearer Energiedichte liefert, ist erfindungsgemäß ungefähr ein Drittel bis ein Viertel der Länge der existierenden leichtwassergekühlten Siedewasserreaktoren. Da die Moderatoren im Vergleich zum existierenden leichtwasergekühlten Siedewasserreaktor homogen verteilt sind, kann der lokale Energiepeak-Koeffizient des Brennstabes um ungefähr 30% oder mehr vermindert werden (indem, wenn notwendig, die Anreicherungsverteilung verwendet wird). Weiterhin kann der Energiepeak-Koeffizient um ungefähr 40% oder mehr verringert werden, da in Kombination mit einem Mittel, das später beschrieben wird, die Brennreaktivität und Dampfblasenreaktivität weniger geändert wird. Erfindungsgemäß ist die Höhe der Brennelementkassette (effektive Reaktorkernlänge), die eine mittlere lineare Energiedichte liefert, die der von existierenden leichtwasergekühlten Siedewasserreaktoren entspricht, 40 cm oder mehr, was 1/10 davon ist. Indem andererseits die effektive Reaktorkernlänge verkürzt wird, um den axialen Neutronenverlust zu erhöhen, kann der Effekt der Reduzierung des Dampfblasenkoeffizienten ausgenützt werden. Ein Ergebnis der Studien der vorliegenden Erfindung war, daß negative Dampfblasenkoeffizienten in Kombination mit anderen Mitteln, die später beschrieben werden, erreicht werden können, wenn die effektive Reaktorkernlänge auf 140 cm oder weniger gesetzt wird. Während das Energieerzeugungsverhältnis im Mantelbereich durch die Reduzierung der Länge erhöht wird, beträgt die mittlere Energiedichte im Bereich, außer vom Bereich des Mantels durch die Reduzierung der effektiven Reaktorkernlänge ungefähr 100 bis 300 kW/l.
Da ein RBWR die gleiche Energie erzeugt, die in einem Druckkessel mit einem Durchmesser erreicht werden kann, der dem eines existierenden Reaktors entspricht, können die Energieerzeugungskosten in dem gleichen Bereich gehalten werden, wie bei einem existierenden leichtwasergekühlten Reaktor. Gleiches gilt für die Sicherheitsaspekte. Weiterhin kann dies den Plutoniumbestand verringern und erfindungsgemäß können mehrere Kernreaktoren mit einem vorbe stimmten Plutoniumanteil betrieben werden, was zu einer stabilen Energieerzeugung beiträgt.
Gemäß den Studien der vorliegenden Erfindung kann die axiale Energieverteilung des Reaktorkerns abgeflacht werden, indem die Anreicherung des spaltbaren Plutoniums im oberen Bereich des Reaktorkerns stärker vergrößert wird als im unteren Bereich des Reaktorkerns, womit der Plutoniumverbrauch vermindert werden kann. Während der Dampfblasenanteil am Reaktorkern bei Energieerhöhung erhöht wird oder wenn die Kühlflüssigkeitsrate im Reaktorkern verringert wird, wie in Fig. 5 gezeigt, ändert sich die Energieverteilung zum unteren Bereich des Reaktorkerns, wo die spaltbare Plutoniumanreicherung relativ niedrig ist und die Neutronen nicht so wichtig sind, womit die Reaktivität des Reaktorkerns reduziert werden konnte (negativer Dampfblasenkoeffizient).
Gemäß den Studien der vorliegenden Erfindung kann ein Reaktorkernaufbau, in dem Brennstäbe eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind, erreicht werden, indem ein clusterartiger Kontrollstab in die Brennelementkassette eingeführt wird. Ebenso kann erfindungsgemäß ein Reaktorkernaufbau erreicht werden, in dem Brennstäbe eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind, indem die hexagonale Brennelementkassette und ein Y-artiger Kontrollstab verbunden werden. Der Y- artige Kontrollstab und die hexagonale Brennelementkassetten können durch ein Verfahren kombiniert werden, das die Brennelementkassette in eine reguläre hexagonale Form bringt und durch ein Verfahren, in dem mit einem Flügel des Y-artigen Kontrollstabes und einer Brennelementkassette eine reguläre hexagonale Form erreicht wird. Ersteres hat den Vorteil, daß es den Aufbau der Brennelementkassette vereinfacht und letzteres hat den Vorteil, daß die mittlere Position der Kassette im Reaktorkern eine reguläre Dreiecksform hat. Weiterhin kann erfindungsgemäß ein Reaktorkernaufbau erreicht werden, in dem Brennstäbe eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind, indem eine quadratische Brennelementkassette mit einem kreuzförmigen Kontrollstab verbunden ist.
Weiterhin kann erfindungsgemäß in Verbindung der hexagonalen Brennelementkassette und des Y-artigen Kontrollstabes oder in Verbindung der quadratischen Brennelementkassette und des kreuzförmigen Kontrollstabes ein Neutron-Moderationseffekt von Wasser erhöht werden, wenn der Kontrollstab für den Brennstab abgezogen wird, der dem Kontrollstab gegenüberliegt, so daß die Neutronenenergie reduziert wird und so daß ein Energiepeak für die Brennstäbe erzeugt wird, die dem Kontrollstab gegenüberliegen, wenn die spaltbare Plutoniumanreicherung für jeden der Brennstäbe in der Kassette identisch gemacht wird. Somit kann eine Brennelementkassette erreicht werden, in der die Energieverteilung abgeflacht wird, indem die spaltbare Plutoniumanreicherung in der Kassette mit dem Abstand der Einführposition des Kontrollstabes variiert wird.
Die Energie- und Flußrate der Brennelementkassette kann erfindungsgemäß abgeflacht werden, um den thermischen Spielraum zu erhöhen, indem die Anordnung der Brennelementkassetten und der Öffnung passend zum Reaktorkern angeordnet wird. Der unbegrenzte Neutronen-Multiplikationsfaktor im äußeren Bereich des Reaktorkerns kann größer gemacht werden als im inneren Bereich, um die radial Energieverteilung zu glätten, indem der Bereich des Reaktorkerns außer der äußere Rand in gleiche Bereiche aufgeteilt wird, indem die Brennelementkassetten so geladen werden, daß die mittlere Kernverweilzeit der Brennelementkassetten im äußeren Reaktorkernbereich geringer gemacht wird als im inneren Reaktorkernbereich. Die notwendige Reduktion der spaltbaren Plutoniumanreicherung kann erreicht werden, indem Brennelementkassetten mit größerer Kernverweilzeit in den äußersten Rand des Reaktorkerns bei einem niedrigen Neutronenfluß geladen werden. Der Effekt des Neutronenverlustes im äußeren Randbereich des Reaktorkern ist in der Brennelementkassette in und in der Nähe der äußersten Schicht des Reaktorkerns groß, was die Energie der Brennelementkassette im Vergleich zu anderen Bereichen verringert und die Flußrate erhöht, die in der Brennelementkassette fließt. Erfindungsgemäß kann die Flußratenverteilung geglättet werden, indem der mittlere Wert des Öffnungsdruckverlustkoeffizienten der Brennelementkassetten am äußersten Rand des Reaktorkerns und daneben größer gemacht wird als der mittlere Wert des Öffnungsdruckverlustkoeffizienten in anderen Bereichen. Dies kann die Flußrate im äußersten Rand des Reaktorkerns verringern und somit die Flußrate über den gesamten Reaktorkern verringern. Weiterhin kann der Dampfblasenanteil in dem Bereich vergrößert werden, in dem der Öffnungsdruckverlustkoeffizient erhöht wird, was zur Verbesserung des Dampfblasenkoeffizienten und zur Erhöhung des Brütverhältnisses beiträgt.
Während das Brütverhältnis auf 1,0 oder mehr durch kühlenden Leichtwasserdampf erhöht wird, ist gemäß Studien der Erfinder die Erfindung eines Materials notwendig, das einen höheren Temperaturwiderstand aufweist als das bei existierenden Siedewasserreaktoren verwendete Material, da die Dampftemperatur eine Sättigungstemperatur übersteigt und radioaktive Nukleide sowie Korrosionsprodukte zusammen mit den Dämpfen aus dem Reaktorkern herausfließen. Da erfindungsgemäß das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns bei 40% oder weniger gehalten wird, wodurch die Kühlflüssigkeit in einem Zweiphasen-Flußzustand bei der Sättigungstemperatur ist, auch wenn durch abnormale momentane Änderungen die Energie erhöht wird, um die Sättigungstemperatur zu halten, und somit die Verwendung der gleichen Strukturmaterialien wie bei existierenden leichtwasergekühlten Reaktoren möglich. Ein Reaktorkern mit einem Brütverhältnis von 1,0 oder mehr wird somit erreicht, wobei verhindert wird, daß radioaktive Nukleide sowie Korrosionsprodukte im Dampf enthalten sind, der zur Turbine gesandt wird, indem die Destillationsfunktion aufgrund des Siedens im Reaktorkern verwendet wird.
In der vorliegenden Erfindung wurden Ausführungsformen von Brennstoffen untersucht, die mit Plutonium angereichertes abgereichertes Uran aufweisen, die als Rückstände nach der Erzeugung von angreichertem Uran erzeugt wurden, das in existierenden leichtwasergekühlten Reaktoren verwendet wird und der Langzeitenergieversorgung dient. Liegt natürliches Uran oder verarmtes Uran, das von verwendeten Brennstoffen wiedergewonnen wurde in größeren Beträgen als in der jetzigen Situation vor, so kann ein Reaktorkern mit gleicher oder besserer Wirksamkeit in bezug auf das Brütverhältnis und den Dampfblasenkoeffizienten gegenüber Plutonium angereichertem abgereichertem Uran erreicht werden, indem die Anreicherung des spaltbaren Plutoniums um ungefähr 0,5 Gew.-% oder mehr im Vergleich zur Verwendung von abgereicherten Uran reduziert wird, indem natürliches Uran, verarmtes Uran oder niedrig konzentriertes Uran (0,71 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%) anstatt von abgereicherten Uran um Plutonium angereichert wird.
Erfindungsgemäß sind langlebige radioaktive Nukleide in einem Gleichgewichtszustand im Reaktor, damit ein vorbestimmter Anteil erreicht wird, indem nicht nur abgereichertes Uran mit Plutonium angereichert wird, sondern indem gleichzeitig strahlende Kerne recycled werden. Die strahlenden Nukleide sind erfindungsgemäß für den Erzeugungs- und Vernichtungsanteil im Gleichgewicht, und steigen nicht mehr an, womit ein Kernreaktorsystem möglicht wird, das nicht nur die Erzeugung von strahlenden Nukleiden mit langer Halbwertszeit merklich reduziert, die bei radioaktiven Abfällen ein Problem ergeben, sondern das auch Plutonium-enthaltende strahlende Kerne nur auf das Reaktorinnere, die Reproduktionseinrichtung und Brennstofferzeugungseinrichtung begrenzt.
Nachfolgend werden nun die Effekte der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit den oben genannten Merkmalen der vorliegenden Erfindung erklärt.
Erfindungsgemäß kann abgereichertes Uran, Natururan, verarmtes Uran oder niedrig konzentriertes Uran mit einem katalysatorartigen Effekt von Plutonium mit einem Brütverhältnis von ungefähr 1,0, oder 1,0 oder mehr verbrannt werden, indem Brennstoffe verwendet werden, bei denen Plutonium zu abgereichertem Uran, Natururan, verarmtem Uran oder niedrigkonzentriertem Uran hinzugefügt wurde, womit zu einer langzeitstabilen Energieversorgung beigetragen werden kann.
Da durch die Kombination der engen hexagonalen Brennelementkassette oder der quadratischen Brennelementkassette mit Brennstoffen, bei denen Plutonium zu abgereichertem Uran, Natururan, verarmtem Uran oder niedrigkonzentriertem Uran hinzugefügt wurde, das effektive Wasser/Brennstoffvolumenverhältnis zwischen 0,1 und 0,6 liegt, ist mit Kühlflüssigkeiten mit einem hohen Dampfblasenanteil von 45% bis 70% und den clusterartigen, y- oder kreuzförmigen Kontrollstäben, ein Brütverhältnis von ungefähr 1,0, oder 1,0 oder mehr möglich, wodurch zu einer stabilen Langzeitenergieversorgung beigetragen werden kann.
Weiterhin kann der Plutonium-Bestand bei gleicher Leistung wie bei nun gebauten verbesserten Siedewasserreaktoren (ABWR) vermindert werden, indem der Druckkessel mit gleichem Durchmesser und eine kurze Brennelementkassette verwendet wird, die eine Reaktorkernhöhe von 40 bis 140 cm liefert, so daß mehrere erfindungsgemäße Reaktoren mit Plutonium arbeiten können, das von abgebrannten Brennstäben von leichtwasergekühlten Reaktoren kommt.
Da der Durchmesser des Druckkessels, die Betriebsbedingungen sowie Leistung und die verwendeten Materialien im wesentlichen identisch mit denen sind, die in einem nun betriebenen BWR verwendet werden, können die Energieerzeugungskosten auf dem gleichen Niveau gehalten werden wie bei einem existierenden BWR, obwohl die Leistung stark erhöht wurde.
Aufgrund des erhöhten Neutronenverlustes in vertikaler Richtung des Reaktorkerns und aufgrund der wechselnden Energieverteilung in Vertikalrichtung des Reaktorkerns kann die kurze Brennelementkassette, die obere und untere zweiteilige Brennelementkassette und die axial inhomogene Brennelementkassette verwendet werden und ein negativer Dampfblasenkoeffizient erreicht werden, um das gleiche Maß an Sicherheit zu erreichen, wie bei bestehenden leichtwasergekühlten Reaktoren, bei denen der Brennstoff einmal durchläuft.
Da die Verbindung der engen Brennelementkassette und der Kühlflüssigkeiten mit hohem Dampfblasenanteil das Neutronenverhältnis in dem Resonanzenergiebereich und den Dopplereffekt erhöhen kann und den absoluten Wert des negativen Dampfblasenkoeffizienten erniedrigen kann, kann die Sicherheit bei Vorgängen wie dem Hochfahren, dem Unterdrucksetzen und der Verminderung des Kühlflüssigkeitdampfblasenanteils erhöht werden.
Da das Dampfgewichtsverhältnis der Kühlflüssigkeiten am Ausgang des Reaktorkerns bei 40% oder geringer gehalten wird, können radioaktive Materialien wie beispielsweise in dem Reaktor angehäufte Korrosionsprodukte auf das Reaktorinnere begrenzt werden, indem die Destillationsfunktion aufgrund der Dampferzeugung erhalten bleibt, womit es möglich ist, die Radioaktivität im Bereich der Turbine auf dem gleichen Niveau zu halten wie bei jetzt verwendeten BWRs und das Radioaktivitätsniveau merklich gegenüber existierenden dampfgekühlten schnellen Reaktoren in dem bestehenden Konzept für Brutreaktoren zu vermindern.
Weiterhin kann der Reaktorkern mit der hexagonalen Brennelementkassette und darin eingeführten clusterartigen Kontrollstäben die Reaktorkernhomogenität erhöhen und den thermischen Spielraum verbessern.
Weiterhin kann bei Reaktorkernen mit hexagonaler Brennelementkassette und darin eingeführten Y-artigen Kontrollstäben die Technik von existierenden BWRs verwendet werden, wie die Stäbe vom unteren Anteil des Reaktorkerns eingeführt wird.
Weiterhin kann mit einem Reaktorkern mit einer quadratischen Brennelementkassette und den dazwischen eingeführten kreuzförmigen Kontrollstäben das gleiche Reaktorkernsystem wie bei existierenden BWRs verwendet werden.
Weiterhin kann bei der hexagonalen oder bei der ekliptisch hexagonalen Brennelementanordnung oder quadratischen Brennelementanordnung die Erzeugung von mehreren Bereichen, insbesondere 2 bis 5 Bereichen, von einem Bereich in der Nähe des Y-artigen oder kreuzförmigen Kontrollstabes bis zu einem Bereich nicht in der Nähe des Kontrollstabes mit 2 bis 5 Kontrollstäben mit variablen spaltbaren Plutoniumanreicherungen, den in Energiepeak in der Brennelementkassette vermindern und den thermischen Spielraum erhöhen.
Weiterhin kann die Erhöhung der Reaktorkernenergiedichte von 100 auf 300 kW/l den Plutoniumbestand pro Einheitsleistung verringern und die Kapazität der Energieerzeugungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung für einen vorbestimmten Plutoniumanteil erhöhen, was zu einer stabilen Langzeitenergieversorgung beiträgt.
Da der Anteil mit einer mittleren Anreicherung von spaltbaren Plutonium entlang dem horizontalen Querschnitt von 6 Gew.-% oder mehr zwischen 40 und 140 cm in axialer Richtung der Brennstoffanordnung liegt, wird der Plutoniumbestand pro Einheitsleistung vermindert, wobei die Kapazität der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsmöglichkeiten, die mit einem vorbestimmten Plutoniumanteil arbeitet, erhöht wird, was zu einer stabilen Langzeitenergieversorgung beiträgt. Ebenso wird der Neutronenverlusteffekt in die Richtung der Reaktorkernhöhe erhöht, wenn der Dampferzeugungsbeitrag erhöht wird, um den negativen Dampfblasenkoeffizient zu vergrößern und zur Sicherheit beizutragen.
Da der mittlere Wert der spaltbaren Plutoniumanreicherung in der unteren Hälfte der Brennelementkassette mit Brutzonen in den beiden oberen und unteren Enden geringer ist als in der oberen Hälfte, wird die Energieverteilung in Richtung der Reaktorkernhöhe geglättet, wodurch der thermische Spielraum verbessert wird, und die Energieverteilung schwenkt in die Richtung der Reaktorkernhöhe, wenn der Dampferzeugungsbeitrag erhöht wird, was den negativen Dampfblasen-Reaktivitätskoeffizienten vergrößert und zur Sicherheit beiträgt.
Da die Anteile mit spaltbarer Plutoniumanreicherung von 6 Gew.-% oder mehr im oberen und unteren Bereich in axialer Richtung ohne die Brutzonenanteile an den beiden oberen und unteren Enden der Brennelementkassette vorliegen und die spaltbare Plutoniumanreicherung in einem mittleren Bereich dazwischen auf 6% oder weniger reduziert ist, wird die Reaktorleistung und der negative Dampfblasenkoeffizient aufgrund der Veränderung der Energieverteilung in vertikaler Richtung des Reaktorkerns erhöht, wodurch die Sicherheit erhöht wird. Weiterhin kann der Neutronenabsorptionseffekt in dem mittleren axialen Bereich des Reaktorkerns den Plutoniumbestand erhöhen, der in den Reaktorkern geladen werden kann, wodurch seine Funktion als Plutoniumaufbewahrungsreaktor verbessert wird. Da die Reaktorkernhöhe relativ vergrößert wird und die gesamte Länge der Brennstäbe vergrößert wird, kann der thermische Spielraum für die maximale lineare Energiedichte ebenso verbessert werden.
Weiterhin kann das gleichzeitige Recyclen von Plutonium und Uran einen Präventiveffekt für die Nichtweiterverbreitung von Nuklearstoffen haben.
Weiterhin kann durch das gleichzeitige Recyclen von Plutonium, Uran und strahlenden Nukleiden ein Gleichgewicht zwischen der Erzeugung und der Vernichtung von strahlenden Nukleiden hergestellt und die Zunahme auf Null reduziert werden, weiterhin können strahlende Nukleide mit langer Halbwertszeit, die ein Problem insbesondere bei den radioaktiven Abfällen ergeben, auf das Reaktorinnere beschränkt werden, das ein Ort für die Reproduktion und Brennstofferzeugung ist, um die Umweltverträglichkeit zu erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine horizontale Querschnittsansicht eines Reaktorkerns in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 2 ist ein charakteristischer Graph, der die Beziehung zwischen einer Brennstabgitterkonstante und einem effektiven Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis darstellt, das benötigt wird, die Konversionsrate darzustellen.
Fig. 3 stellt die Beziehung zwischen einem Brennstababstand und einem geometrischen Wasser/Brennstoff- Volumenverhältnis dar.
Fig. 4 stellt eine Beziehung zwischen einer Anreicherung von spaltbarem Plutonium und einem Brütverhältnis dar.
Fig. 5 zeigt erklärend die Fluktuation der Energieverteilung bei der Vergrößerung eines Dampfblasenverhältnisses.
Fig. 6 zeigt einen horizontalen Querschnitt einer Brennelementkassette, die in den in Fig. 1 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 7 ist eine Sicht für die Anordnung von Brennelementkassetten in einem Reaktorkern im Gleichgewicht für die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform.
Fig. 8 zeigt die Verteilung der Öffnung für die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform.
Fig. 9 zeigt die Verteilung für die axiale Anreicherung einer Brennelementkassette, die in den in Fig. 1 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 10 zeigt eine Verteilung für die Anreicherung von Brennstoffstäben in der Brennelementkassette, die in den in Fig. 1 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 11 ist eine charakteristische Darstellung, die die axiale Energie des Reaktorkerns und den Dampfblasenanteil der Ausführungsform von Fig. 1 darstellt.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung der Brennelementkassetten in einem Reaktorkern im Gleichgewicht in einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 13 zeigt die Verteilung für die axiale Anreicherung der Brennelementkassette, die in den in Fig. 12 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 14 ist eine charakteristische Darstellung der axialen Energieverteilung des Reaktorkerns und der Dampfblasenverteilung der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform.
Fig. 15 ist ein horizontaler Querschnitt eines Reaktorkerns in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 16 ist ein horizontaler Querschnitt der Brennelementkassette, die in den in Fig. 15 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 17 zeigt die Verteilung für die Anreicherung von Brennstäben in der Brennelementkassette, die in den in Fig. 15 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 18 ist ein horizontaler Querschnitt eines Reaktorkerns in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 19 ist ein Querschnitt von Brennelementkassetten, die in den in Fig. 18 gezeigten Reaktorkern geladen werden.
Fig. 20 zeigt eine Verteilung für die Anreicherung von Brennstäben in der Reaktorvorrichtung, die in den in Fig. 18 gezeigten Reaktor geladen wird.
Fig. 21 zeigt die Verteilung für die axiale Anreicherung einer Brennelementkassette, die in den Reaktorkern in einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform geladen wird.
Fig. 22 zeigt die axiale Energieverteilung im Reaktorkern und die Dampfblasenanteilsverteilung in einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 23 zeigt eine Verteilung für die axiale Anreicherung der Brennelementkassette, die in den Reaktorkernen einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform geladen wird.
Fig. 24 zeigt einen charakteristischen Graphen, der eine axiale Energieverteilung im Reaktorkern und eine Dampfblasenanteilsverteilung in einer sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 25 zeigt eine Verteilung für axiale Anreicherung einer Brennelementkassette, die in einen Reaktorkern in einer siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform geladen wird.
Fig. 26 zeigt einen charakteristischen Graphen, der eine axiale Energie im Reaktorkern und die Dampfblasenanteils verteilung in einer siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 27 ist ein charakteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen dem mittleren Dampfblasenanteil im Reaktorkern und einen Dampfgewichtsverhältnis am Reaktorkernausgang zeigt.
Fig. 28 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der axialen Anreicherungsverteilung der Brennelementkassette, die in den in Fig. 1 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 29 ist ein charakteristischer Graph einer axialen Energieverteilung und einer Dampfblasenanteilsverteilung des Reaktorkerns, der mit Fig. 28 beladen wird.
Fig. 30 ist eine abgeänderte Ausführungsform der axialen Anreicherungsverteilung der Brennelementkassette, die in den in Fig. 1 gezeigten Reaktorkern geladen wird.
Fig. 31 ist eine abgeänderte Ausführungsform der axialen Anreicherungsverteilung der Brennelementkassette, die in den Reaktorkern in einer siebten Ausführungsform geladen wird.
Fig. 32 ist eine abgeänderte Ausführungsform der axialen Anreicherungsverteilung einer Brennelementkassette, die in den Reaktorkern in einer siebten Ausführungsform geladen wird.
Fig. 33 ist ein charakteristischer Graph, der eine axiale Energieverteilung und eine Dampfblasenanteilsverteilung des Reaktorkern zeigt, der mit Fig. 32 beladen wird.
Fig. 34 zeigt eine Verteilung für die axiale Anreicherung einer Brennelementkassette, die in einer neunten Ausführungsform in den Reaktorkern geladen wird.
Fig. 35 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform einer axialen Anreicherungsverteilung der Brennelementkassette, die in der neunten Ausführungsform in den Reaktorkern geladen wird.
Fig. 36 ist eine abgeänderte Ausführungsform der axialen Anreicherungsverteilung der Brennelementkassette, die in den Reaktorkern in der neunten Ausführungsform geladen wird.
Fig. 37 ist ein horizontaler Querschnitt einer Brennelementkassette in einer zehnten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden genauer in bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich auf Reaktorkerne mit einer elektrischen Leistung von 1 350000 kW, ist aber nicht auf diesen Energiebereich beschränkt. Sie ist ebenso auf andere Energiebereiche anwendbar, indem die Anzahl der Brennelementkassetten geändert werden.

[Erste Ausführungsform]

Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform wird in bezug auf Fig. 1 und die Fig. 6 bis 11 beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen horizontalen Querschnitt für eine elektrische Leistung von 1356 MW in dieser Ausführungsform 720 Brennelementkassetten 1 und 223 Y-artige Kontrollstäbe 2, jeder für drei Brennelementkassetten, sind dargestellt. Fig. 6 zeigt einen Querschnitt eines Brennelementkassettengitters. Brennstäbe 3 mit jeweils einem Durchmesser von 10,1 mm sind in einer regelmäßigen Dreiecksform mit jeweils 1,3 mm Brennstababstand angeordnet und eine Reihe Brennstäbe am äußersten Rand auf einer Seite einer regulären hexagonalen Brennelementkassette fehlt, um ein reguläres hexagonales Brennelementkassettengitter mit einer Box 4 für die Kanäle und eine Flügelbox 5 der Y-haltigen Kontrollstäbe zu bilden. In der hexagonalen Brennelementkassette sind unter drei Sätzen von Brennstabreihen, die parallel mit den Brennstabreihen der gegenüberliegenden äußersten Schichten sind, zwei Sätze miteinander identisch mit 17 Reihen, wobei der übrige Satz 16 Reihen hat. Rostfreie Rohre, die mit B4C gefüllt sind, sind in den Flügeln der Kontrollstäbe angeordnet, wobei die Flüge miteinander einen Winkel von 120º einschließen und so eine regelmäßiges Dreieck mit Erweiterungen von den jeweiligen Flügeln bilden. Weiterhin weist der Kontrollstab am oberen Ende einen Folgestab auf, der aus Kohlenstoff besteht, das ein Material mit einer geringeren Moderationsfähigkeit wie leichtes Wasser ist. Fig. 7 zeigt eine Brennelementanordnung für einen Reaktorkern im Gleichgewicht. Die neben den unterschiedlich schraffierten Brennelementkassetten angebrachten Nummern zeigen die Anzahl der bleibenden Kernverweilzeiten jeder Vorrichtung. Brennelemente bei der dritten Zeit mit der längsten Kernverweilzeit werden in die äußerste Randschicht 12 des Reaktorkerns mit geringem Neutronenfluß geladen. Brennstoffe beim ersten Zyklus der verbleibenden Kernverweilzeit mit dem höchsten unendlichen Medium-Neutronenmultiplikationsfaktor werden in den äußeren Reaktorkernabschnitt 13 innerhalb von 12 geladen, um die radiale Energieverteilung des Reaktorkerns zu glätten. Im inneren Reaktorkern 14 werden Brennstoffe beim zweiten und bei dritten Zyklus der verbleibenden Kernverweilzeit abwechselnd geladen, um die Energieverteilung in dem inneren Abschnitt zu glätten. Fig. 8 zeigt einen Öffnungszustand in einem Reaktorkern im Gleichgewicht. Die neben den unterschiedlich schraffierten Brennelementkassetten 1 gezeigten Nummern zeigen den Öffnungs/Verschlußgrad der Öffnungen an, die an dem Brennstabstützbereich liegen. Es gibt drei unterschiedliche Bereiche, in denen der Öffnungs/Verschlußgrad unterschiedlich ist. Der Öffnungsdurchmesser des äußeren Reaktorkernbereichs (Nrn. 1 und 2) der unteren Brennelementkassettenenergie ist geringer als der Öffnungsdurchmesser im inneren Bereich. Fig. 9 zeigt die Verteilung der Anreicherung von spaltbarem Plutonium in axialer Richtung, die entlang einem horizontalen Querschnitt von Brennelementkassetten bei einem Reaktorkern im Gleichgewicht gemittelt wurde. Plutonium angereichertes Uran ist abgereichertes Uran. Die Höhe des Reaktorkerns beträgt 55 cm und ist in zwei Bereiche 16, 17 bei 8/12 vom unteren Ende des Reaktorkerns unterteilt, wobei die Anreicherung im oberen Bereich 17 12 Gew.-% und im unteren Bereich 16 10 Gew.-% beträgt. Abgereicherte Uranbrutzonen 15, 18 von jeweils 25 und 20 cm Länge sind am oberen und unteren Ende des Reaktorkerns angebracht. Fig. 10 zeigt eine Verteilung der Plutoniumanreicherung entlang einem horizontalen Querschnitt im unteren Abschnitt der Brennelementkassette. Die spaltbare Plutoniumanreicherung beträgt 10,4 Gew.-%, 9,4 Gew.-%, 8,4 Gew.-% und 7,4 Gew.-%, wobei die mittlere Anreicherung 10 Gew.-% beträgt. Die Verteilung der Plutoniumanreicherung entlang dem horizontalen Querschnitt in dem oberen Bereich der Brennelementkassette ist identisch mit der Verteilung im unteren Bereich, in dem die spaltbare Plutoniumanreicherung 12,4 Gew.-%, 11,4 Gew.-%, 10,4 Gew.-% und 9,4 Gew.-% beträgt, wobei die durchschnittliche Anreicherung 12 Gew.-% ist. Fig. 11 zeigt eine Energieverteilung und eine Dampfbla senanteilsverteilung, die in axialer Richtung des Reaktorkerns gemittelt wird. Der mittlere Reaktorkerndampfblasenanteil beträgt 61% und das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns beträgt 32 Gew.-%.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird nun erklärt.
Die Verbindung der dichten hexagonalen Brennelementkassette mit einem regulären Dreiecksgitter mit 1,3 mm Brennstababstand, einem mittleren Reaktorkerndampfblasenanteil von 61% und einem Y-artigen Kontrollstab liefert ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,27, um im Kern ein Brütverhältnis von 0,90, ein Brutzonenbrütverhältnis von 0,11 und ein totales Brütverhältnis von 1,01 zu erhalten.
Aus obigen Gründen wird ein leichtwasergekühlter Reaktor mit einem Brütverhältnis von 1,01 in dieser Ausführungsform erreicht, indem ein effektives Wasser/Brennstoffvolumenverhältnis von ungefähr 2,0 wie bei existierenden Reaktoren auf 0,27 vermindert wird.
Die Leistung dieses Reaktorkerns beträgt 1 350000 kW, was der Energie von bestehenden verbesserten Siedewasserreaktoren (ABWRs) entspricht, und der Umfangsradius des Reaktorkerns beträgt 2,8 m, was im wesentlichen dem Wert für ABWRs entspricht. Der Reaktorkern weist eine Höhe von 55 cm auf und Brutzonen von 25 cm und 20 cm, die jeweils an den oberen und unteren Enden hinzugefügt wurden, um eine kurze Brennelementkassette zu bilden. Da jedoch die Brennstäbe eng angeordnet sind, entspricht die gesamte Brennstablänge im wesentlichen der Länge in ABWRs, der minimale kritische Leistungsgewinn (MCPR) beträgt 1,32, was dem Standardwärmefestigkeitswert von 1,24 genügt. Da dies als kurzes Brennelement von 55 cm für einen Reaktorkernanteil gebaut ist, unabhängig von der engen Anordnung, ist der Plutoniumbestand 4,4 t was der Menge von spaltbarem Plutonium pro 1000000 kW Leistung entspricht, was 10 t oder weniger pro 1000 kW ist, wenn die äußere verbleibende Kernverweilzeit von Plutonium wie bei der Wiederverarbeitung berücksichtigt wird.
Aus den oben beschriebenen Gründen können aufgrund der Ausführungsform mit einem Brütverhältnis von 1,01 1 500 Reaktoren mit einer Leistung von 1000000 kW für 10000 Jahre betrieben werden mit einem Verbrauch von 15000 t spaltbaren Plutoniums, von 15000000 t abgereichertem Uran, die von 15000000 t Uran-Depots in der Welt kommen, womit ein stabiles Langzeit-Energieversorgungssystem erreicht wird.
Mit dieser Ausführungsform kann die gleiche Leistung wie bei einem jetzt betriebenen ABWR mit einem Druckkessel, der im wesentlichen gleich groß ist und einen identischen Abbrand von 45 GW/t wie bei einem ABWR erreicht werden, indem identisches Zirkalloy als Brennstabhülsenmaterial verwendet wird.
Durch oben beschriebene Gründe kann diese Ausführungsform einen Siedewasserreaktor mit stabiler Langzeitenergieversorgung bei ungefähr gleichen Energieerzeugungskosten erreichen wie bei leichtwasergekühlten Kernreaktoren, die gerade in Betrieb sind.
Während die Höhe des Reaktorkerns bei einem Siedewasserreaktor ungefähr 370 cm beträgt, ist sie in dieser Ausführungsform 55 cm. Erfindungsgemäß hat er einen großen Neutronverlusteffekt, womit der Dampfblasenkoeffizient negativ wird, was eine Reaktivitätssteigerung darstellt, wenn der Dampfbetrag erhöht wird, der im Reaktorkern erzeugt wird. Weiterhin weist er zwei obere und untere Brennstoffbereiche auf, in denen die spaltbare Plutoniumanreicherung sich bei 18,3 cm vom oberen Ende in axialer Richtung der Brennelementkassette unterscheidet, wobei die Anreicherung im oberen Bereich 12 Gew.-% beträgt und im unteren Bereich 10 Gew.-%. Wird der Dampfblasenanteil im Reaktor vergrößert, ist die relative Vergrößerung des Dampfblasenanteiles um 20% größer im unteren Bereich des Reaktorkerns, wo der Dampfblasenanteil geringer ist, als im oberen Bereich des Reaktorkerns, der schon den Sättigungszustand erreicht hat und als Ergebnis hiervon verschiebt sich eine Neutronenflußverteilung von dem oberen Bereich des Reaktorkerns, wo die Neutronen sehr wichtig sind zum unteren Bereich des Reaktorkerns, wo die Neutronen weniger wichtig sind und ergibt eine negative Dampfblasenreaktivität. Da in dieser Ausführungsform das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns 32% beträgt, wird nicht die gesamte Kühlflüssigkeit auch bei nicht normalen, momentanen Änderungen in Dampf verwandelt, immer in einem Zweiphasen-Flußzustand gehalten, wodurch radioaktive Materialien sowie Korrosionsprodukte, die sich im Reaktorkern unter dem Destillationseffekt der Dampferzeugung anhäufen auf das Reaktorinnere begrenzen und wodurch verhindert wird, daß sie zu einer Turbine übertragen werden, wie bei existierenden Siedewasserreaktoren.
Aus oben beschriebenen Gründen kann diese Ausführungsform die Merkmale des Siedewasserreaktors erreichen was eine stabile Langzeitenergieversorgung bei gleicher Sicherheit wie bei leichtwasergekühlten betriebenen Reaktoren betrifft.
Bei jetzigen Siedewasserreaktoren laufen ungefähr 85% der Kernreaktionen in einem thermischen Neutronenbereich von 0,6 eV oder weniger ab, wobei die mittleren Energiewerte von Kernreaktionen in dieser Ausführungsform bei ungefähr 1 keV liegen, wobei das Reaktionsverhältnis im Resonanzbereich extrem hoch ist. Während ein Siedewasserreaktor einen Dopplerbeiwert von 1,6 · 10&supmin;&sup5; 10 Δ k/k/ºC hat, beträgt der Wert in dieser Ausführungsform 3,7 · 10&supmin;&sup5; Δ k/k/ºC, was ungefähr das Doppelte ist.
Existierende Siedewasserreaktoren haben einen Dampfblasenkoeffizient von -7,0 · 10&supmin;&sup4; Δ k/k/% Hohlraumanteile, wobei ein absoluter Wert in dieser Ausführungsform so niedrig wie -0,5 · 10&supmin;&sup4; Δ k/k/% Hohlraumanteile gesetzt wird. Somit wird ein thermischer Spielraum für die Ausführungsform relativ erhöht, wenn der Druck erhöht oder die Kühlflüssigkeitstemperatur erniedrigt wird.
Mit oben beschriebenen Gründen kann diese Ausführungsform ein Siedewasserreaktor mit einem größeren Sicherheitsspielraum für alle momentanen Vorkommnisse im Vergleich zu im Augenblick betriebenen Siedewasserreaktoren bereitstellen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann das Brütverhältnis 1,01 durch die Kombination der engen hexagonalen Brennelementkassette, des Y-artigen Kontrollstabes und dem mittleren Reaktorkerndampfblasen von 61% erreicht werden, indem Brennstoffe verwendet werden, die abgereichertes Uran enthalten, das mit spaltbarem Plutonium von im Durchschnitt 10,5 Gew.-% angereichert wurde, wobei der Plutoniumbestand vermindert wurde, indem die Reaktorkernhöhe 55 cm beträgt, so daß eine stabile Langzeitenergieversorgung durch einen Siedewasserreaktor erreicht werden kann, wobei 1 500 Einheiten von 1000000 kW-Reaktoren für 10000 Jahre betrieben werden können mit 15000000 t Natururanvorkommen in der Welt. Da zusätzlich der Durchmesser des Druckkessels, die Betriebsbedingungen sowie Leistung und Materialien im wesentlichen denen eines nun betriebenen Siedewasserreaktors entsprechen, können die Energieerzeugungskosten auf gleiche Weise wie bei einem bestehenden Siedewasserreaktor gesenkt werden, wobei die Wirksamkeit beträchtlich verbessert wurde. Da der negative Dampfblasenkoeffizient durch die kurze Brennelementkassette und zwei obere und untere Brennelementbereiche erhalten wird und das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns auf ungefähr 30% gehalten wird, kann eine Destillationsfunktion für die Dampferzeugung erhalten bleiben, um radioaktive Materialien auf das Innere des Druckkessels zu begrenzen, so daß der gleiche Sicherheitsspielraum wie bei existierenden Siedewasserreaktoren erreicht werden kann.
In dieser Ausführungsform wurde der Aufbau, die Funktion und der Effekt von Brennstäben beschrieben, die durch die Anreicherung von Plutonium bei abgereichertem Uran erreicht wurde, das als Abfall bei der Produktion von konzentriertem Uran abfällt, das in existierenden, leichtwasergekühlten Reaktoren verwendet wird, wodurch eine stabile Langzeitenergieversorgung möglich wird. Ein ähnlicher oder größerer Effekt kann mit Brennstäben erreicht werden, die durch Anreicherung von Plutonium zu Natururan, verarmtem Uran von abgebrannten Brennstäben und niedrig-konzentriertem Uran anstatt von abgereichertem Uran angereichert wird. In diesem Beispiel kann die Anreicherung des spaltbaren Plutoniums um 0,5 oder mehr Gew.-% im Vergleich zu abgereichertem Uran erniedrigt werden, indem das Gewichtsverhältnis von 235-Uran, das in den Brennstoffen vorhanden ist, erhöht wird. Somit kann ein Brütverhältnis für spaltbares Plutonium um ungefähr 3% erhöht werden und der Dampfblasenkoeffizient kann weiterhin negativ gehalten werden. Da der Plutoniumbestand reduziert werden kann, kann die Anzahl der Siedewasserreaktoren im Betrieb weiter vergrößert werden.
Der Dampfblasenkoeffizient ist in dieser Ausführungsform negativ, jedoch kann der Leistungskoeffizient mit dem Dopplerbeiwert negativ gemacht werden, auch wenn der Dampfblasenkoeffizient Null oder leicht positiv ist. Studien der vorliegende Erfinder zeigen, daß sich kein Problem ergibt, wenn der Dampfblasenkoeffizient positiv oder negativ ist, so lange aus Sicherheitsgründen der Leistungskoeffizient negativ ist. Erfindungsgemäß kann der thermische Spielraum weiter vergrößert werden, indem der Reaktorkernanteil länger als 55 cm gemacht wird. Weiterhin kann das Brütverhältnis erhöht werden, indem der Brennstababstand auf weniger als 1,3 mm verringert wird.
In dieser Ausführungsform wurde nur Uran beschrieben, das mit Plutonium angereichert wurde, es können aber ebenso andere strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden. Da in diesem Beispiel die mittlere Neutronenenergie in dem ABWR hoch ist, wird Plutonium weniger auf strahlende Nukleide mit hoher Massezahl übertragen und die strahlenden Nukleide können durch Kernreaktionen vernichtet werden.
Obwohl die spaltbare Plutoniumanreicherung in zwei obere und zwei untere Bereiche bei 8/12 vom unteren Ende des Reaktorkerns aufgeteilt ist, stellt dies keine Limitierung dar. Fig. 28 zeigt eine Ausführungsform einer Verteilung in axialer Richtung für eine mittlere Anreicherung von spaltbarem Plutonium entlang einem horizontalen Querschnitt. Das Plutonium angereicherte Uran ist das gleiche abgereicherte Uran wie in dieser Ausführungsform, und abgereicherte Uranbrutzonen von jeweils 25 cm und 20 cm werden jeweils an den oberen und unteren Bereichen des Reaktorkerns angefügt. Die Reaktorkernhöhe beträgt 55 cm, was identisch mit der vorliegenden Ausführungsform ist und ist in fünf Bereich bei 1/12, 2/12, 7/12 und 8/12 vom unteren Ende des Reaktorkerns aufgeteilt. Die spaltbare Plutoniumanreicherung beträgt 12,5 Gew.-%, 10,5 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10,5 Gew.-% und 12,5 Gew.-% vom oberen Bereich, die mittlere Anreicherung mit spaltbaren Plutonium für die Brennelementkassette beträgt 11 Gew.-%, wobei die mittlere Anreicherung in der oberen Hälfte 11,7 Gew.-% und in der unteren Hälfte 10,2 Gew.-% beträgt. Wie in Fig. 29 gezeigt, kann die axiale Energieverteilung abgeflacht werden, indem die Anreicherung mit spaltbaren Plutonium in dem Bereich nahe dem unteren Ende weiter erhöht wird, und indem eine mittlere Anreicherung (10,5 Gew.-%) zwischen der höchsten Anreicherung (12,5 Gew.-%) und der niedrigsten Anreicherung (9,5 Gew.-%) angeordnet wird. In der in Fig. 28 gezeigten Ausführungsform kann der Energiepeak im Vergleich zu dieser Ausführungsform um weitere 5% gesenkt werden. Weiterhin ist für die axiale Richtung der Brennelementkassette die mittlere spaltbare Plutoniumanreicherung in der oberen Hälfte größer als der mittlere Wert in der unteren Hälfte und man erhält einen Effekt, den Dampfblasen-Reaktivitätskoeffizienten wie in dieser Ausführungsform zu reduzieren. Da die axiale Energieverteilung abgeflacht wurde, wird der Beitrag des Neutronenverlustes an den oberen und unteren Anteilen des Reaktors erhöht. Dies steigert die benötigte Anreicherung mit spaltbarem Plutonium auf einen höheren Wert als in dieser Ausführungsform, jedoch kann somit der Dampfblasen-Reaktivitätskoeffizient weiter vermindert werden. Fig. 30 zeigt eine Abänderung von Fig. 28, in der die mittlere Anreicherung 10,5 Gew.-% beibehalten wird. Die Ausführungsform von Fig. 28 hat eine größere Auswirkung auf die Abflachung der Energieverteilung, wobei der gleiche Effekt durch zwei Arten von spaltbaren Plutoniumanreicherungen erreicht werden kann wie in dieser Ausführungsform.

[Zweite Ausführungsform]

Die Beschreibung erfolgt für die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform in bezug auf die Fig. 18 bis 20.
Fig. 18 zeigt einen horizontalen Querschnitt eines Reaktorkerns mit 1356 MW elektrischer Leistung in dieser Ausführungsform. 720 Brennelementkassetten 9 und 223 Y- artige Kontrollstäbe 10 für jeweils drei Brennelementkassetten, sind abgebildet. Fig. 19 zeigt einen Querschnitt eines Brennelementkassettengitters. Brennstäbe 3 mit jeweils einem Durchmesser von 10,1 mm sind in einem regelmäßigen Dreieck mit einem Brennstababstand von 1,3 mm angeordnet und bilden eine regelmäßige hexagonale Brennelementanordnung mit 10 Brennstabreihen. Weiterhin sind Y- artige Kontrollstäbe für drei Brennelementkassetten 9, wie in Fig. 18 gezeigt, angeordnet. Abstände zwischen den Brennelementkassetten, in die kein Kontrollstab eingeführt wird, sind schmäler als Abstände, in die ein Kontrollstab zwischen die Brennelementkassetten eingeführt wird. Rostfreie Röhren, gefüllt mit B4C sind an den Flügeln der Kontrollstäbe angeordnet, wobei die Flügel jeweils einen 120º-Winkel miteinander einschließen. Weiterhin weist der Kontrollstab am oberen Ende einen Folgestab auf, der aus Kohlenstoff besteht, das eine geringere Moderationsfähigkeit als leichtes Wasser hat. Die Anordnung der Brennstoffe im Reaktorkern, der Zustand der Öffnung und die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung in axialer Richtung, die entlang dem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette für den Reaktorkern im Gleichgewicht gemittelt wurden, entsprechen denen von Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 9 für die Ausführungsform 1. Fig. 20 zeigt die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung entlang einem horizontalen Querschnitt im unteren Bereich der Brennelementkassette. Die Verteilung der spaltbaren Plutoniuman reicherung ist symmetrisch in bezug auf einen der Flügel des Y-artigen Kontrollstabes, der nicht neben der regelmäßigen, horizontalen Brennelementanordnung liegt. Die vier verschiedenen Plutoniumanreicherungen sind 10,4 Gew.-%, 9,4 Gew.-%, 8,4 Gew.-% und 7,4 Gew.-%, wobei die mittlere Anreicherung 10 Gew.-% beträgt. Die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung entlang dem horizontalem Querschnitt im oberen Bereich der Brenstoffanordnung entspricht der Anordnung im unteren Bereich und die vier spaltbaren Plutoniumanreicherungen sind 12,4 Gew.-%, 11,4 Gew.-%, 10,4 Gew.-% und 9,4 Gew.-% mit einer mittleren Anreicherung von 12 Gew.-%.
In dieser Ausführungsform hat die Brennelementkassette eine reguläre hexagonale Form, die Anzahl der Brennstäbe pro Brennelementkassette wird im Vergleich zur Ausführungsform 1 um 10 erhöht und der thermische Spielraum wird verbessert, da die mittlere lineare Energiedichte geringer und der Bereich der Wärmeleitung erhöht ist. Da andererseits der Abstand der Y-artigen Kontrollstäbe zum äußeren Rand der Brennelementkassette erhöht wird, ist der Umfang des Reaktorkerns größer als bei der Ausführungsform 1. Die Kombination der engen hexagonalen Brennelementkassette, der Y-artigen Kontrollstäbe und des mittleren Reaktorkern- Dampfblasenanteils von 61% führt in dieser Ausführungsform zu einem effektivem Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,27. Somit entsprechen die Reaktorkerneigenschaften den von Ausführungsform 1 und liefern einen ähnlichen Effekt.
Weiterhin kann in dieser Ausführungsform ein gleicher oder größerer Effekt mit Brennstäben erreicht werden, indem Natururan, verarmtes Uran von abgebrannten Brennstäben oder niedrig konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert wird.
Weiterhin können andere strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden. In dieser Ausführungsform ist die spaltbare Plutoniumanreicherung in zwei obere und untere Bereiche bei 8/12 vom unteren Bereich des Reaktorkerns aufgeteilt, was jedoch nicht beschränkend gemeint ist. Der gleiche Effekt wie bei der Ausführungsform 1 kann erreicht werden, indem Fig. 28 oder Fig. 30 als eine Abänderung von Fig. 1 angepaßt wird.

[Dritte Ausführungsform]

Eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform wird in bezug auf die Fig. 15 bis 17 beschrieben.
Fig. 15 zeigt einen horizontalen Querschnitt eines Reaktorkerns mit 1356 MW elektrischer Leistung in dieser Ausführungsform. 720 reguläre hexagonale Brennelementkassetten 6 und 223 Kontrollstäbe-Antriebsmechanismen 7, die jeweils clusterartige Kontrollstäbe steuern, die für drei Brennelementkassetten jeweils eingefügt werden sollen, sind abgebildet. Fig. 16 zeigt einen horizontalen Querschnitt eines Brennelementkassettengitters. Brennstäbe 3 mit einem Durchmesser von 10,1 mm sind in einem regelmäßigen Dreieck mit einem Brennstababstand von 1,3 mm angeordnet, und bilden eine regelmäßige hexagonale Anordnung mit 10 Brennstabreihen. Unter ihnen sind Führungsrohre 8 zur Führung der clusterartigen Kontrollstäbe auf 12 Positionen im Brennstabgitter angeordnet. Die Anordnung der Brennelemente im Reaktorkern, der Zustand der Öffnung und die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung in axialer Richtung, die entlang dem horizontalen Querschnitt einer Brennelementkassette für einen Reaktorkern im Gleichgewicht gemittelt wurden, entsprechen denen von Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 9 in Ausführungsform 1. Fig. 17 zeigt die Verteilung der spaltbaren Plutonium anreicherung entlang dem horizontalen Querschnitt im unteren Bereich der Brennelementkassette. Da die Verteilung der Moderatoren homogener als bei den Ausführungsformen 1 und 2 ist, kann ein Energiepeak von zwei Arten von spaltbarer Plutoniumanreicherung verhindert werden. Die spaltbare Plutoniumanreicherung in den Brennstäben 1 und 2 beträgt jeweils 9,0 Gew.-% und 10,1 Gew.-%. Die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung entlang dem horizontalen Querschnitt ist zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich in der Brennelementkassette identisch, wobei die spaltbare Plutoniumanreicherung in den Brennstäben 1 und 2 jeweils 11,0 Gew.-% und 12,1 Gew.-% betragen.
Da in dieser Ausführungsform der Kontrollstab in die Brennelementkassette eingefügt ist, wurde die Anzahl der Brennstäbe um die Hälfte gegenüber Ausführungsform 1 verringert, jedoch kann eine bessere Reaktivitätskontrolle durchgeführt werden, wobei die notwendige Reaktivitätskontrolle mit natürlichem Bor als Absorber erfolgen kann.
Ebenso kann in dieser Ausführungsform die Kombination der engen hexagonalen Brennelementkassette, des clusterartigen Kontrollstabes und des mittleren Dampfblasenanteils im Reaktorkern von 61% ein effektives Wasser/Brennstoff- Volumenverhältnis von 0,27 erzeugen. Somit entspricht die Eigenschaft des Reaktorkerns der Eigenschaft von Ausführungsform 1, wobei der gleiche Effekt erzielt werden kann.
Ebenso kann in dieser Ausführungsform ein gleicher oder größerer Effekt mit Brennstoffen erreicht werden, die aus der Anreicherung von Natururan, verarmtem Uran von abgebrannten Brennstäben oder niedrig-konzentriertem Uran anstelle von abgereichertem Uran gebildet werden. Weiterhin können andere strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden.
In dieser Ausführungsform ist die spaltbare Plutoniumanreicherung in zwei obere und untere Bereiche bei 8/12 vom unteren Ende des Reaktorkerns aufgeteilt, was aber nicht limitierend sein soll. Der gleiche Effekt wie bei der Ausführungsform 1 kann erreicht werden, indem Fig. 28 oder Fig. 30 als eine Änderung von Fig. 1 angepaßt wird.

[Vierte Ausführungsform]

Eine erfindungsgemäße vierte Ausführungsform wird mit Bezug auf die Fig. 12 bis 14 erklärt. In dieser Ausführungsform sind die Eigenheiten des Reaktorkerns basierend auf dem Aufbau von Ausführungsform eins weiter verbessert, aber ein ähnlicher Reaktorkern kann ebenso mit dem Aufbau der Ausführungsformen zwei oder drei erreicht werden.
Diese Ausführungsform zeigt den Fall eines Reaktorkerns mit 1356 MW elektrischer Leistung, indem der Brennstoffabbrand verbessert wurde. Der horizontale Querschnitt des Reaktorkerns, der Querschnitt des Brennelementkassettengitters und die Öffnungsverteilung dieser Ausführungsform ist identisch mit dem in Fig. 1, Fig. 6 und Fig. 8 für Ausführungsform 1. Fig. 12 zeigt eine Brennelementanordnung für einen Reaktorkern im Gleichgewicht. Die auf den Brennelementanordnungen gezeigten Nummern zeigen die Verweilzeit im Reaktorkern durch die Anzahl der Zyklen. Brennelemente im dritten Zyklus mit der längsten Kernverweilzeit werden in dem äußersten Rand 12 des Reaktorkerns mit einem geringen Neutroneneinfluß geladen. Im äußeren Reaktorbereich 13, im Inneren von 12, werden Brennstoffe des ersten Zyklus der Kernverweilzeit mit dem höchsten Neutronen-Multiplikationsfaktor beladen, um die radiale Energieverteilung im Reak torkern zu glätten. Im inneren Reaktorkernbereich 14 sind Brennstoffe im zweiten und dritten Zyklus der Kernverweilzeit verteilt geladen, um die Energieverteilung im inneren Bereich abzuflachen.
Da in dieser Ausführungsform die Abbrandreaktivität im Vergleich zu Ausführungsform 1 vermindert ist, indem ein Brutzonenbereich zum axialen mittleren Bereich hinzugefügt wurde, ist die Anzahl der Brennstäbe im dritten Zyklus im mittleren Bereich des Reaktorkerns erhöht. Fig. 13 zeigt die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung in axialer Richtung, wie sie entlang dem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassetten für einen Reaktorkern im Gleichgewicht gemittelt wurde. Mit Plutonium angereichertes Uran ist abgereichertes Uran. Die Reaktorkernhöhe beträgt 77 cm und ist in drei Bereiche 16, 19, 17 bei 23 cm und 52 cm um unteren Ende des Reaktorkerns eingeteilt, in denen jeweils die spaltbare Plutoniumanreicherung 17 Gew.-%, 0 Gew.-% und 17 Gew.-% beträgt, mit einer mittleren Anreicherung von 10,6 Gew.-%. Weiterhin sind abgereicherte Uranbrutzonen 15, 18 von 25 cm bzw. 20 cm Länge zum oberen und unteren Bereich des Reaktorkerns hinzugefügt. Fig. 14 zeigt die Energieverteilung und die Verteilung des Dampfblasenkoeffizienten, die entlang der Reaktorkernhöhe gemittelt wurde. Der mittlere Dampfblasenanteil im Reaktorkern beträgt 60% und das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns beträgt 29%.
Nachfolgend wird der Betrieb dieser Ausführungsform erklärt.
Der Aufbau der Brennelementkassette entspricht dem Aufbau von Ausführungsform 1 und die Brennelementkassette ist eine hexagonale Brennelementkassette mit einem regelmäßigen Dreiecksgitter mit einem Brennstababstand von 1,3 mm. Die Verbindung des mittlerenen Dampfblasenanteils von 60% und des Y-artigen Kontrollstabes kann ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,27 erreichen, wobei das Brütverhältnis im Kern 0,87 beträgt, das Brutzonen- Brütverhältnis 0,14 und das gesamte Brütverhältnis 1,01 ist.
In dieser Ausführungsform liegen jeweils in dem oberen und unteren Bereich entlang der axialen Richtung der Brennelementkassettenbereiche mit einer spaltbaren Plutoniumanreicherung von 17 Gew.-%. Der mittlere Bereich dazwischen enthält abgereichertes Uran, das kein spaltbares Plutonium enthält. Beim Hochfahren, oder bei der Verringerung der Kühlflüssigkeitsrate im Reaktorkern wird der Dampfblasenanteil im Reaktorkern erhöht, wobei die Energieverteilung im oberen Bereich des Reaktorkerns sich zum zentralen Bereich verschiebt, der kein spaltbares Plutonium enthält. Dies ermöglicht es besser, die Reaktivität im Reaktorkern im Vergleich zu Ausführungsform 1 zu erniedrigen. Als ein Ergebnis konnte der Dampfblasenkoeffizient bei -0,5 · 10&supmin;&sup4; Δ k/k/% Dampfblasenanteile gehalten werden, was identisch ist mit dem Wert von Ausführungsform 1 ist, auch wenn der Brennstoffabbrand weiter erhöht wurde und größer ist als in Ausführungsform 1.
Diese Ausführungsform kann die gleiche Leistung wie bei einem gerade betriebenen Druckwasserreaktor erreichen, mit einem Druckkessel, der im wesentlichen gleich groß ist und es können 70 GW/t erreicht werden.
Im Vergleich zu Ausführungsform 1 ist der Reaktorkernanteil in der Länge mit 77 cm geringfügig erhöht, aber der Plutoniumbestand ist geringer als 6,2 t, der in einen Beitrag von spaltbaren Plutonium pro 1000000 kW übergeht, was 10 t oder weniger pro 1000000 kW ist, auch wenn eine äußere Kernverweilzeit von Plutonium wie bei der Wiederverarbeitung in Betracht gezogen wird, um den gleichen Effekt wie bei Ausführungsform 1 zu erzielen.
Ebenfalls kann mit dieser Ausführungsform ein gleicher oder höherer Effekt erreicht werden, wenn Brennstoffe gebildet werden, bei denen Natururan, verarmtes Uran von abgebrannten Brennstäben und niedrig-konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert wird. Ebenso können andere strahlende Kerne zusammen mit Plutonium angereichert werden. Weiterhin sind in dieser Ausführungsform der obere und untere Bereich identisch, was die spaltbare Plutoniumanreicherung in axialer Richtung der Brennelementkassette betrifft, und abgereichertes Uran ohne spaltbares Plutonium liegt dazwischen. Jedoch muß die spaltbare Plutoniumanreicherung in den oberen und unteren Bereichen nicht notwendigerweise gleich sein. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform der Bereich für abgereichertes Uran geringfügig höher als der mittlere Bereich des Reaktorkerns angeordnet, was aber keine Limitierung darstellen soll. Es ist möglich, einen gleichen axialen Energiepeak zu erreichen, indem die spaltbare Plutoniumanreicherung in dem oberen und unterem Bereich und die Position für den abgereicherten Uranbereich kombiniert werden.

[Fünfte Ausführungsform]

Eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform wird mit Bezug auf die Zeichnungen 21 und 22 erklärt. In dieser Ausführungsform ist der Betrieb des Reaktorkerns auf der Basis des Aufbaus von Ausführungsform 1 weiter verbessert, ein identischer Reaktorkern kann aber ebenso auf der Basis des Aufbaus der Ausführungsform 2 oder 3 erreicht werden.
Diese Ausführungsform betrifft einen Reaktorkern mit 1356 MW elektrischer Leistung mit einem Spielraum für das minimale kritische Energieverhältnis und für die maximale lineare Energiedichte. Der Aufbau dieser Ausführungsform entlang dem horizontalen Querschnitt des Reaktorkerns entspricht dem von Ausführungsform 1. Fig. 21 zeigt die Verteilung in axialer Richtung für die Anreicherung von spaltbaren Plutonium, die entlang dem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette der fünften Ausführungsform gemittelt wurde. Plutonium angereichertes Uran ist abgereichertes Uran. Die Reaktorkernhöhe beträgt 91 cm und ist in drei Bereich 1, 2 und 3 bei 33 cm und 53 cm von unteren Ende des Reaktorkerns, wobei die spaltbare Plutoniumanreicherung in jeder der Regionen im Mittel 11,7 Gew.-%, 0 Gew.-% und 11,7 Gew.-% ist mit einem Mittel von 9,1 Gew.-%. Weiterhin sind abgereicherte Uranbrutzonen von 25 cm und 20 cm an den oberen und unteren Enden des Reaktorkerns angebracht. Fig. 22 zeigt die Energieverteilung und die Dampfblasenverteilung im Mittel entlang der axialen Richtung des Reaktorkerns. Der mittlere Dampfblasenanteil im Reaktorkern beträgt 57% und das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns beträgt 26%.
Der Aufbau der Brennelementkassette entspricht dem von Ausführungsform 1 mit der Kombination der engen hexagonalen Brennelementkassette mit einem regulären Dreiecksgitter und einem Brennstababstand von 1,3 mm, wobei der mittlere Dampfblasenanteil im Reaktor 57% beträgt und der Y-artige Kontrollstab ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,28 erreichen kann, mit einem Brütverhältnis im Kern von 0,93, einem Brutzonen-Brütverhältnis von 0,08 und einem gesamten Brütverhältnis von 1,01.
In dieser Ausführungsform haben die oberen und unteren Bereiche in axialer Richtung der Brennelementkassette eine spaltbare Plutoniumanreicherung von 11,7 Gew.-% und der mittlere Bereich dazwischen besteht aus abgereichertem Uran, das kein spaltbares Plutonium enthält. Beim Hochfahren des Reaktorkerns oder beim Erniedrigen der Kühlflüssigkeitsrate wird der Dampfblasenanteil im Reaktorkern erhöht, wobei die Energieverteilung im oberen Bereich des Reaktorkerns sich zum mittleren Bereich des Reaktorkerns verschiebt, der kein spaltbares Plutonium enthält. Dies hat den Effekt, daß die Reaktivität im Reaktorkern vermindert wird, wobei dieser Effekt größer als bei Ausführungsform 1 ist. Deshalb konnte der Dampfblasenkoeffizient bei -0,5 · 10&supmin;&sup4; Δ k/k/% Dampfblasenanteile gehalten werden, was dem Wert von Ausführungsform 1 entspricht, auch wenn die Reaktorhöhe größer ist als bei Ausführungsform 1. Da Neutronen von den oberen und unteren Bereichen, die spaltbares Plutonium enthalten, zum mittleren Bereich des Reaktorkerns fließen, das kein Plutonium enthält, kann das Brütverhältnis erhöht werden. Erfindungsgemäß kann ein gleiches oder größeres Brütverhältnis als in Ausführungsform 1 erreicht werden, sogar wenn die Reaktorkernflußrate vergrößert wird und der mittlere Reaktorkern-Dampfblasenanteil auf einen geringeren Wert als in der Ausführungsform 1 verringert wird. Aufgrund der Erhöhung der Reaktorkernflußrate beträgt der minimale kritische Leistungsgewinn MCPR 1,45 und es kann ein Reaktorkern mit einem thermischen Spielraum erreicht werden, der dem von Ausführungsform 1 entspricht.
In dieser Ausführungsform kann ein gleicher oder größerer Effekt erreicht werden, wenn Brennstoffe gebildet werden, bei denen Natururan, verarmtes Uran von gebrauchten Brennstäben und niedrig konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert wird, weiterhin können andere strahlende Kerne zusammen mit Plutonium angereichert werden. Es ist in dieser Ausführungsform nicht immer notwendig, daß die spaltbare Plutoniumanreicherung in den oberen und unteren Bereichen gleich ist und die Position des abgereicherten Urans im mittleren Bereich des Reaktorkerns ist nicht nur auf die oben beschriebene Position beschränkt.
Obwohl die Länge des Reaktorkerns auf 91 cm im Vergleich zu Ausführungsform 1 erhöht wurde, ist der Plutoniumbestand nur 6,3 t, was dem Beitrag von spaltbaren Plutonium pro 1000000 kW Leistung entspricht, was 10 t oder weniger pro 1000000 kW ist, auch wenn die äußere Kernverweilzeit von Plutonium wie bei der Wiederaufbereitung berücksichtigt wird, und es kann der gleiche Effekt wie bei Ausführungsform 1 erreicht werden.

[Sechste Ausführungsform]

Eine sechste erfindungsgemäße Ausführungsform wird in bezug auf Fig. 23 und 24 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist der Reaktorbetrieb weiter auf der Basis des Aufbaus von Ausführungsform 1 verbessert, aber es kann ein ähnlicher Reaktorkern auf der Basis des Aufbaus von Ausführungsform 2 oder 3 erreicht werden.
Diese Ausführungsform betrifft einen Reaktorkern mit 1356 MW elektrischer Leistung mit einem gestiegenen Plutoniumbestand und mit einem Merkmal als Plutoniumslagerungsreaktor. Der Aufbau dieser Ausführungsform entlang einem horizontalem Querschnitt des Reaktorkerns entspricht dem von Ausführungsform 1. Fig. 23 zeigt die Verteilung in axialer Richtung der Anreicherung mit spaltbarem Plutonium, wie sie entlang dem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette der sechsten Ausführungsform gemittelt wurde. Plutonium angereichertes Uran ist abgereichertes Uran. Die Reaktorhöhe beträgt 126 cm und ist in drei Bereiche 16, 19 und 17 bei 42 cm und bei 82 cm vom unteren Ende des Reaktorkerns eingeteilt, wobei die spaltbare Plutoniumanreicherung in jedem der Bereiche im Mittel 11,7 Gew.-%, 0 Gew.-% und 11,7 Gew.-% beträgt, mit einem Mittel von 8,0 Gew.-%. Weiterhin sind abgereicherte Uranbrutzonen 15, 18 mit 25 cm und 20 cm Länge jeweils an die oberen und unteren Enden des Reaktorkerns angehängt. Fig. 24 zeigt die Energieverteilung und die Dampfblasenanteilsverteilung, wie sie entlang der axialen Richtung des Reaktorkerns gemittelt wurde. Der mittlere Reaktorkern-Dampfblasenanteil beträgt 60% und das Dampfgewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktors beträgt 31%.
Der Aufbau der Brennelementkassette entspricht dem von Ausführungsform 1, mit der Verbindung der engen hexagonalen Brennelementkassette, des regelmäßigen Dreiecksgitters mit einem Brennstababstand von 1,3 mm, einem gemittelten Reaktorkern-Dampfblasenanteil von 60% und dem Y-artigen Kontrollstab kann ein effektives Wasser/Brennstoffverhältnis von 0,27 erreicht werden, ein Brütverhältnis im Kern von 0,95 und ein Brütverhältnis in der Brutzone von 0,07 und somit ein Gesamtbrütverhältnis von 1,02.
In dieser Ausführungsform haben die oberen und unteren Bereich 17, 16 in axialer Richtung der Brennelementkassette eine spaltbare Plutoniumanreicherung von 11,7 Gew.-% und einen mittleren Bereich 19 dazwischen mit abgereichertem Uran ohne spaltbarem Plutonium. Im Vergleich mit den Ausführungsformen 4 und 5 ist der mittlere Abschnitt 19 mit abgereichertem Uran im Reaktorkern auf 40 cm erhöht, so daß der Effekt der Reduzierung des Dampfblasenkoeffizienten und der Effekt der Erhöhung des Brütverhältnisses verstärkt werden konnte.
Dies kann den Bereich, der spaltbares Plutonium enthält, vergrößern, wobei der Plutoniumbestand auf 10,3 t ansteigt.
In dieser Ausführungsform kann ein gleicher oder größerer Effekt erreicht werden, wenn Brennstoffe gebildet werden, bei denen Natururan, verarmtes, von abgebrannten Brennstäben wiedergewonnenes Uran und niedrig konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert wird, obwohl der Plutoniumbestand geringfügig verringert ist. Weiterhin können andere strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden.
In dieser Ausführungsform liegen die oberen und unteren Bereiche 17, 16 mit gleicher spaltbarer Plutoniumanreicherung in axialer Richtung der Brennelementkassette und abgereichertes Uran ohne spaltbares Plutonium dazwischen. Es ist nicht immer notwendig, daß die spaltbare Plutoniumanreicherung in den oberen Bereichen 17 und 16 gleich ist. Obwohl in dieser Ausführungsform der Bereich von mit abgereichertem Uran etwas oberhalb des mittleren Bereiches des Reaktorkerns liegt, stellt dies keine Beschränkung dar.

[Siebte Ausführungsform]

Eine siebte erfindungsgemäße Ausführungsform wird mit Bezug auf die Zeichnungen 25 und 26 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist der Reaktorkernbetrieb auf der Basis des Aufbaus der Ausführungsform 1 weiter verbessert, es kann aber ein gleicher Reaktorkern auf der Basis des Aufbaus der Ausführungsformen 2 oder 3 erreicht werden.
Diese Ausführungsform betrifft einen Reaktorkern mit 1356 MW elektrischer Leistung mit einem vergrößerten negativen Dampfblasenkoeffizient. Der Aufbau dieser Ausführungsform entlang dem horizontalen Querschnitt des Reaktorkerns entspricht dem von Ausführungsform 1. Fig. 25 zeigt die Verteilung in axialer Richtung der Anreicherung des spaltbaren Plutoniums, die entlang des horizontalen Querschnitts der Brennelementkassette in der siebten Ausführungsform gemittelt wurde. Plutonium angereichertes Uran ist abgereichertes Uran. Die Reaktorkernhöhe beträgt 56 cm und ist in drei Bereiche 1, 2 und 3 bei 23 cm und 38 cm vom unteren Ende des Reaktorkerns aufgeteilt, wobei die Anreicherung mit spaltbaren Plutonium in jedem der Bereiche im Mittel 13,5 Gew.-%, 0 Gew.-% und 13,5 Gew.-% mit einem Mittel von 10,5 Gew.-% hat. Weiterhin sind abgereicherte Uran-Brutzonen von 25 cm und 20 cm an den oberen und unteren Enden des Reaktorkerns angebracht. Fig. 26 zeigt die Energieverteilung und die mittlere Dampfblasenverteilung in axialer Richtung des Reaktorkerns. Der mittlere Reaktorkern-Dampfblasenanteil beträgt 60% und das Dampf-Gewichtsverhältnis am Ausgang des Reaktorkerns beträgt 29%.
Der Aufbau der Brennelementkassette entspricht dem von Ausführungsform 1 und durch die Kombination der engen hexagonalen Brennelementkassette, eines regelmäßigen Dreiecksgitters mit einem Brennstababstand von 1,3 mm, einem mittleren Reaktorkern-Dampfblasenanteil von 60% und dem Y-artigen Kontrollstab kann ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,27, ein Brütverhältnis im Kern von 0,90 und ein Brütverhältnis in der Brutzone von 0,12 und somit ein Gesamtbrütverhältnis von 1,02 erreicht werden.
In dieser Ausführungsform beträgt in den oberen und unteren Bereichen in axialer Richtung der Brennelementkassette die Anreicherung mit spaltbaren Plutonium 13,5 Gew.-% mit einem mittleren Bereich dazwischen von abgereichertem Uran ohne spaltbares Plutonium. Im Vergleich mit den Ausführungsformen 5 und 6 sind die oberen und unteren Bereiche für das spaltbare Plutonium im Reaktorkern vermindert und in axialer Richtung der Brennelementkassette wurde der Dampfblasenkoeffizient verringert, indem die Länge weiter reduziert wurde. Somit ergab sich ein Dampfblasenkoeffizient von -1,8 · 10&supmin;&sup4; Δ k/k/% Dampfblasenanteile. Dies ermöglicht die Energie- oder Reaktivitätssteuerung durch die Steuerung der Flußrate.
In dieser Ausführungsform kann ein gleicher oder größerer Effekt erreicht werden, wenn Brennstoffe gebildet werden, bei denen Natururan, verarmtes von abgebrannten Brennstäben wiedergewonnenes Uran und niedrig konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert wird. Weiterhin können andere strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden.
In dieser Ausführungsform liegen obere und untere Bereiche mit gleicher Anreicherung an spaltbarem Plutonium in Axialrichtung der Brennelementkassette vor, mit verarmten Uran ohne spaltbaren Plutonium dazwischen. Jedoch ist es nicht notwendig, daß die spaltbare Plutoniumanreicherung in den oberen und unteren Bereichen gleich ist. Eine Änderung dieser Ausführungsform für die spaltbare Plutoniumanreicherung und für die Position des abgereicherten Urans ist in Fig. 31 gezeigt. Ebenso kann in Fig. 31 der axiale Energiepeak dem Energiepeak dieser Ausführungsform gleich gemacht werden.
Fig. 32 zeigt die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung in axialer Richtung, wie sie über den horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette gemittelt wurde und sich von dieser Ausführungsform unterscheidet. Das Plutonium angereicherte Uran ist abgereichertes Uran wie in dieser Ausführungsform, die Reaktorkernhöhe beträgt 65 cm und abgereicherte Brutzonen 15, 18 mit einer Länge von 25 cm und 20 cm sind jeweils an den oberen und unteren Enden des Reaktorkerns angebracht. Sie sind in drei Bereiche 16, 17 und 18 bei 25 cm und 35 cm vom unteren Ende des Reaktorkerns aufgeteilt, wobei die spaltbare Plutoniumanreicherung 13,5 Gew.-%, 0 Gew.-%, 13,5 Gew.-% beträgt, mit einem Mittel von 10,5 Gew.-%. Da der Bereich mit abgereichertem Uran ohne spaltbarem Plutonium weiter im unteren Abschnitt des Reaktorkerns angeordnet ist als in dieser Ausführungsform weist die axial Energieverteilung ein oberes Peakmuster wie in Fig. 33 auf, wobei die Energiefluktuation vergrößert wird, wenn der Dampfblasenanteil vergrößert wird, um den Dampfblasen Reaktivitätskoeffizient negativer zu machen.

[Achte Ausführungsform]

In dieser Ausführungsform werden strahlende Kerne von abgebrannten Brennstäben entnommen und zusammen mit Plutonium in der siebten Ausführungsform recycelt.
Der Aufbau dieser Ausführungsform entlang dem horizontalen Querschnitt des Reaktorkerns entspricht dem von Ausführungsform 1. Ebenso entspricht in der Brennelementkassette dieser Ausführungsform die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung in axialer Richtung, die über den horizontalen Querschnitt gemittelt wurde, der Verteilung von Ausführungsform 7. Das Plutonium angereicherte Uran ist Uran, das von abgebrannten Brennstäben mit Plutonium entnommen wurde, wobei gleichzeitig strahlende Kerne hinzugefügt werden, die von abgebrannten Brennstäben genommen wurden. Die spaltbare Plutoniumanreicherung beträgt 13,5 Gew.-%, 0 Gew.-% und 13,5 Gew.-% mit einem Mittel von 10,5 Gew.-%. Weiter werden abgereicherte Uranbrutzonen von 25 cm und 20 cm Länge an den oberen und unteren Bereichen des Reaktorkerns angebracht.
Der Aufbau der Brennelementkassette entspricht dem von Ausführungsform 1 und mit der Kombination der dichten hexagonalen Brennelementkassette eines regulären Dreiecksgitters mit einem Brennstababstand von 1,3 mm, einem mittleren Reaktorkern-Dampfblasenanteil von 61% und dem Y- artigen Kontrollstab kann ein effektives Wasser/Brennstoff- Volumenverhältnis von 0,27, ein Brütverhältnis im Kern von 0,91, ein Brütverhältnis in der Brutzone von 0,10 mit einem Gesamtbrütverhältnis von 1,01 erreicht werden.
In dieser Ausführungsform beträgt in den oberen und unteren Bereichen in axialer Richtung der Brennelementkassette die Anreicherung mit spaltbarem Plutonium 13,5 Gew.-% mit einem mittleren Bereich dazwischen von abgereicherten Uran ohne spaltbarem Plutonium. Im Vergleich mit Ausführungsformen 5 und 6 sind die oberen und unteren Bereiche für das spaltbare Plutonium im Reaktorkern vermindert und der Dampfblasenkoeffizient wurde durch eine geringere Länge verringert. Somit kann der Dampfblasenkoeffizient negativ werden, wenn die strahlenden Nukleide von den abgebrannten Brennstäben entnommen werden und mit Plutonium recycelt werden.
Durch das Recyclen der strahlenden Nukleide, die den abgebrannten Brennstoffen zusammen mit Plutonium wiederholt entnommen wurden, erreichen die radioaktiven Nukleide mit langer Halbwertszeit einen Gleichgewichtszustand im Reaktor und eine vorbestimmte Menge. Erfindungsgemäß befinden sich in dieser Ausführungsform die Erzeugung und die Vernichtung der strahlenden Nukleide im Gleichgewicht, d. h. die Zunahme wird Null, was die gesamte Erzeugung von strahlenden Nukleiden mit langer Halbwertszeit, die bei radioaktiven Abfällen ein Problem ergeben, besonders reduziert. Weiterhin ist es möglich, Nukleide mit Plutonium auf den Kern reaktor, die Reproduktionsmöglichkeit und Brennstofferzeugungsmöglichkeit, zu begrenzen.

[Neunte Ausführungsform]

In dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf einen Druckwasserreaktor angewandt.
In dieser Ausführungsform weist ein Reaktorkern die gleichen clusterartigen Kontrollstäbe auf, wie in Ausführungsform 3 und reguläre hexagonale Brennelementkassetten, in denen Brennstäbe mit einem äußeren Durchmesser von 14,3 mm angeordnet sind, was ein größerer Durchmesser als bei existierenden Druckwasserreaktoren darstellt, die eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster mit einem Brennstababstand von 1,0 mm angeordnet sind. Fig. 34 zeigt die Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung in axialer Richtung, wie sie entlang dem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette der neunten Ausführungsform gemittelt wurde. Das Plutonium angereicherte Uran ist abgereichertes Uran. Die Höhe des Reaktorkerns beträgt 50 cm und die spaltbare Plutoniumanreicherung beträgt gleichmäßig 10,5 Gew.-%. Abgereicherte Uranbrutzonen 15, 18 mit jeweils 30 cm Länge sind an den oberen und unteren Enden des Reaktorkerns 16 angebracht.
Durch die Verbindung der engen hexagonalen Brennelementkassette mit einem regulären Dreiecksgitter und einem Brennstababstand von 1,0 mm, Brennstäben mit großem Durchmesser und clusterartigen Kontrollstäben kann ein Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis von 0,44 erreicht werden. Somit ergibt ein Brütverhältnis im Kern von 0,90, einem Brütverhältnis in der Brutzone von 0,11 und ein gesamtes Brütverhältnis von 1,01.
In dieser Ausführungsform ist die spaltbare Plutoniumanreicherung in axialer Richtung der Brennelementkassette gleich. Jedoch stellt der Aufbau der Brennstoffe hierfür keine Limitierung dar. Die Fig. 35 und 36 zeigen Veränderungen dieser Ausführungsform in bezug auf die axiale Verteilung der spaltbaren Plutoniumanreicherung. In Fig. 35 wurde die spaltbare Plutoniumanreicherung in den oberen und unteren Enden 17, 16 des Reaktorkerns erhöht und größer als im mittleren Bereich 19' gemacht, um den axialen Energiepeak abzuflachen. In Fig. 36 beträgt die Reaktorkernhöhe 65 cm, die in drei Bereiche 16, 19 und 17 vom unteren Ende des Reaktorkerns aufgeteilt ist, wobei die spaltbare Plutoniumanreicherung für jeden der Bereiche 13,0 Gew.-%, 0 Gew.-% und 13,0 Gew.-% beträgt, mit einem Mittel von 10 Gew.-%. Abgereicherte Uranbrutzonen 15, 18 mit jeweils einer Länge von 30 cm sind an die oberen Enden und unteren Enden des Reaktorkerns angebracht. Da der Bereich mit abgereichertem Uran ohne spaltbarem Plutonium im mittleren Bereich des Reaktorkerns vorliegt, wird die geladene Reaktivität bei der Erzeugung von Dampfblasen weiter negativ.
In dieser Ausführungsform beträgt der äußere Durchmesser des Brennstabes 14,3 mm, und ist größer als der äußere Durchmesser von Brennstäben in bestehenden Druckwasserreaktoren, aber es können auch die dort verwendeten 9,5 mm verwendet werden. In diesem Beispiel kann durch die Verbindung der engen hexagonalen Brennelementkassette, des regelmäßigen Dreiecksgitters mit einem Brennstababstand von 1,0 mm und dem clusterartigen Kontrollstab ein Wasser/Volumenverhältnis von 0,58 erreicht werden. Da das Wasser/Volumenverhältnis vergrößert ist, muß die spaltbare Plutoniumanreicherung um ungefähr 0,5 Gew.-% gegenüber dieser Ausführungsform erhöht werden, jedoch kann ein Brütverhältnis von 1,0 erreicht werden.
Ebenso können in dieser Ausführungsform Brennstäbe verwendet werden, bei denen Natururan, verarmtes, von abgebrannten Brennstäben wiedergewonnenes Uran und niedrig konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert werden. Weiter können andere strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden.

[Zehnte Ausführungsform]

In dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf die gleiche quadratische Brennelementkassette wie bei bestehenden Druckwasserreaktoren angewandt.
Fig. 37 zeigt den Aufbau der Brennelementkassette in dieser Ausführungsform. Um das Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis zu verringern, haben die Brennstäbe 3 einen äußeren Durchmesser von 13,8 mm, der größer ist als bei bestehenden Siedewasserreaktoren und sind eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster mit einem Brennstababstand von 1,0 mm angeordnet. Die Anzahl der Brennstäbe pro Brennelementkassette ist 85. Ein Moderator außerhalb einer Kanalbox 11 wird durch einen Folgestab ausgeschlossen, der am oberen Ende des kreuzförmigen Kontrollstabs angeordnet ist und ein Hohlraumbereich mit Wasser wird durch eine wasserausschließende Platte ausgeschlossen auf der gegenüberliegenden Seite, in den kein Kontrollstab eingefahren ist, wobei die Platte aus einem Material mit geringerer Moderationsfunktion wie der Folgestabanteil besteht. Somit wird ein effektive Wasser/Brennstoff- Volumenverhältnis von 0,53 und ein Brütverhältnis von 1,0 durch den gleichen Brennstoffaufbau in Richtung der Reaktorkernhöhe wie bei den anderen Ausführungsformen erreicht. Um den Energiepeak in der Brennelementkassette der Brennstäbe zu glätten, ist die spaltbare Plutonium anreicherung der Brennstäbe über der Kanalbox niedriger als die Anreicherung der Brennstäbe in anderen Bereichen dieser Ausführungsform.
Weiterhin können in dieser Ausführungsform Brennstäbe verwendet werden, die gebildet werden, indem Natururan, verarmtes von abgebrannten Brennstäben wiedergewonnenes Uran und niedrig konzentriertes Uran anstelle von abgereichertem Uran mit Plutonium angereichert wird. Ebenso können strahlende Nukleide zusammen mit Plutonium angereichert werden.

Claims

1. Ein Reaktorkern eines leichtwassergekühlten Kernreaktors mit wenigstens einer Brennelementkassette (1; 6; 9; 11), die wenigstens entweder abgereichertes Uran, oder Natururan, oder verarmtes Uran oder niedrigkonzentriertes Uran enthält, das mit Plutonium oder Plutonium und strahlenden Nukleiden angereichert ist, wobei bei 50%iger oder mehr Nominalenergie ein mittlerer Dampfblasenanteil des Reaktorkerns zwischen 45 und 70 liegt, wobei ein Bereich mit einer mittleren spaltbaren Plutoniumanreicherung von 6 Gew.-% oder mehr entlang einem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette (1; 6; 9; 11) eine Länge zwischen 40 cm und 140 cm in Richtung der Höhe des Reaktorkerns aufweist, wobei ein Brütungsverhältnis von ungefähr 1,0 oder größer erreicht wird.

2. Ein Reaktorkern nach Anspruch 1 mit einem negativen Dampfblasenkoeffizient.

3. Ein Reaktorkern nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Brütungsverhältnis zwischen 1,0 und 1,15.

4. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2, wobei außer im äußeren Randbereich (12) des Reaktorkerns und außer in den Brutbereichen (15, 18) an den oberen und unteren Enden die mittlere spaltbare Plutoniumanreicherung der Reaktorkernanteile zwischen 6 Gew.-% und 20 Gew.-% liegt.

5. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2 mit einer hexagonalen Brennelementkassette (6), in welchem Brennstäbe (3) eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind, wobei ein clusterartiger Kontrollstab darin eingeführt wird.

6. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2 mit hexagonalen Brennelementkassetten (1, 9), bei dem Brennstäbe (3) eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind und wobei ein Y-artiger Kontrollstab (2, 10) mit drei Flügeln, die jeweils bei einem 120º-Winkel einschließen, zwischen die Vorrichtungen (9) eingefügt wird.

7. Ein Reaktorkern nach Anspruch 6, wobei zwei Flügel des Y-artigen Kontrollstabes (10) neben einer (9) der hexagonalen Brennelementkassetten liegen und wobei der Abstand zwischen den Brennelementkassetten, in die kein Flügel eingesetzt wurde, geringer ist als der Abstand zwischen Brennelementkassetten, in den ein Flügel eingesetzt ist.

8. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2 mit einer quadratischen Brennelementkassette (11), bei dem Brennstäbe (3) eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind, wobei ein kreuzähnliche Kontrollstab mit vier Flügeln, die jeweils einen 90º-Winkel einschließen, darin eingeschoben wird.

9. Ein Reaktorkern nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Kontrollstab an seinem oberen Ende einen Folgestabbereich mit einem Material aufweist, das eine geringere Moderatoreigenschaft als leichtes Wasser aufweist.

10. Ein Reaktorkern nach den Ansprüchen 6 oder 8, wobei in der Brennelementkassette die spaltbare Plutoniumanreicherung der Brennstäbe in der Nähe der Kontrollstäbe sich von der Anreicherung der meisten anderen Brenbstäbe in der Brennelementkassette unterscheidet.

11. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2, wobei bis auf den äußeren Randbereich (12) des Reaktors und die Brutzonenbereiche (15, 18) an den oberen und unteren Enden eine mittlere Energiedichte im Reaktorkern zwischen 100 kW/l bis 300 kW/l liegt.

12. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2, wobei bei 50%iger oder mehr Nominalleistung ein Dampfgewichts-Verhältnis der Kühlflüssigkeit an einem Ausgang des Reaktorkerns zwischen 20 Gew.-% und 40 Gew.-% liegt.

13. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2, wobei bis auf den äußeren Rand (12) der Reaktorkernbereich radial in einen äußeren Bereich (13) und einen inneren Bereich (14) aufgeteilt ist, die gleich groß sind, wobei Brennelementkassetten so geladen werden, daß die mittlere Anzahl der verbleibenden Kernverweilzeit der im äußeren Bereich (13) geladenen Brennstoffanordnungen geringer ist als im inneren Bereich (14).

14. Ein Reaktorkern nach Anspruch 2, wobei ein mittlerer Öffnungsdruckverlustkoeffizient der Brennelementkassetten im und neben dem äußeren Rand (12) des Reaktorkerns größer ist als der mittlere Öffnungsdruckverlustkoeffizient in anderen Brennelementkassetten.

15. Eine Kernbrennstoffvorrichtung (1; 6; 9; 11), die entweder abgereichertes Uran oder Natururan, oder abgereichertes Uran oder niedrigkonzentriertes Uran enthält, das mit Plutonium oder Plutonium und Strahlungsnukleiden angereichert ist,

wobei ein effektives Wasser/Brennstoff-Volumenverhältnis zwischen 0,1 und 0,6 liegt, wobei ein Bereich mit einer durchschnittlichen spaltbaren Plutoniumanreicherung von 6 Gew.-% oder mehr entlang einem horizontalen Querschnitt der Brennelementkassette eine Länge zwischen 40 cm und 140 cm in Richtung der Höhe der Brenn elementkassette aufweist, wobei ein Brütungsverhältnis von ungefähr 1,0 oder mehr erreicht wird.

16. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, die eine hexagonale Brennelementkassette (1; 6; 9) ist, wobei Brennstäbe (3) eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind und der Abstand zwischen den Brennstäben zwischen 0,7 mm und 2,0 mm liegt.

17. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, die eine quadratische Brennelementkassette (11) ist, wobei Brennstäbe (3) eng in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind und ein Abstand zwischen den Brennstäben zwischen 0,7 mm und 2,0 mm liegt.

18. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, wobei mit Ausnahme der Brutzonenbereiche (15, 18) am oberen und unteren Ende die mittlere spaltbare Plutoniumanreicherung eines Brennstoffbereichs zwischen 6 Gew.-% und 20 Gew.-% liegt.

19. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, die eine hexagonale Brennelementkassette (1; 6; 9) ist, wobei Brennstäbe (3) in einem regelmäßigen Dreiecksgittermuster angeordnet sind und so drei Brennstabreihen bilden, wobei jede Brennstabreihe parallel mit einem Paar von gegenüberliegenden Seiten der hexagonalen Brennelementkassette liegt und die Reihenanzahl in zwei Brennstabreihen gleich ist und um eine Reihe größer ist als bei der verbleibenden Brennstabreihe unter den drei Brennstabreihen.

20. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, wobei die mittlere spaltbare Plutoniumanreicherung in einer unteren Bereichshälfte der Brennelementkassette geringer ist als in einer oberen Bereichshälfte mit Ausnahme der Brutzonen (15, 18) an den jeweils unteren und oberen Enden.

21. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, wobei der Bereich mit einer durchschnittlichen spaltbaren Plutoniumanreicherung von 6 Gew.-% oder mehr in einen oberen Bereich (17) und einen unteren Bereich (16) entlang der Höhe der Brennelementkassette aufgeteilt ist, wobei ein Bereich (19) mit einer durchschnittlichen spaltbaren Plutoniumanreicherung von 6% oder weniger zwischen dem oberen Bereich (17) und dem unteren Bereich (16) liegt.

22. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 21, wobei sich die mittlere spaltbare Plutoniumanreicherung in dem oberen Bereich von der in dem unteren Bereich (16) unterscheidet.

23. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, wobei Uran und Plutonium, die von gebrauchten Brennstoffen entnommen werden, gleichzeitig geladen werden.

24. Eine Brennelementkassette nach Anspruch 15, wobei Uran, Plutonium und Strahlungsnukleide gleichzeitig geladen werden, die von gebrauchten Brennstoffen entnommen werden.