SE443258B - Anordning vid kernreaktorkerna - Google Patents

Description

ZS 40 7909817-4 Skflli mflnövrßrflš- ÄV detta skäl blir driften av kärnreaktorn avse~ värt hämmad och medeleffekten sänkt i synnerhet när frekvensen för styrstavsregleringar är hög.

Det är därför önskvärt att undvika styrningen av Överskotts- reaktivíteten och effektfördelníngen med hjälp av styrstavarna.

Under dessa förhållanden är ett acceptabelt sätt att styra överskottsreaktiviteten genom att ändra mängden för brännbart gift, som är en neutronabsorbent i bränslet i reaktorkärnan. Det är näm- ligen möjligt att genom användningen av det förbrännbara giftet minimera kravet på mekanisk styrning av styrstavarna, varigenom driftsförhållanden för kärnreaktorn förbättras. Vidare är det möjligt att styra effektfördelningen i kärnan genom lämplig för- delning av det brännbara giftet i reaktorrkärnan.

En känd bränsleanordning utgöres i detta syfte av en mång- fald grupper av bränslestavar, av vilka en del grupper har bränsle- stavar med förbrännbart gift i. Härvid betraktas grupperna av bränsleanordníngar som är placerade i de centrala 50% av reaktor- kärnans yta som bestående av en mångfald enheter vilka vardera innefattar fyra bränsleanordningar. Varje gång som bränslet utbytes utbytes en av fyra bränsleanordningar eller bränsleelement i varje enhet med ett bränsleelement som innehåller det förbrännbara giftet för att därigenom medge enkel styrning av överskottsreaktiviteten liksom effektfördelningen med ett minimum av styrstavsmanövrering.

Denna kända metod gör det också möjligt att minimera det arbets- samma förflyttandet av bränsleelement vid bränsleutbytandet.

Vid ett liknande bränsleelement eller anordning är förhåll- andet av giftinnehållande bränslestavar relativt det totala an- talet bränslestavar i varje bränsleelement valt på så sätt att det förbrännbara giftet i bränsleelementet är förbrukat när en drifts- cykel för kärnreaktorn har genomlöpts.

En ytterligare känd variant innefattar användandet av ett giftínnehällande bränsleelement för åstadkommande av en konstant överskottsreaktivítet i enlighet med ökningen i graden av bränsle- förbränning (exponering). Vid detta bränsleelement utgör fyra " bränsleelement med olika förbränningshistorier i kombination en enhet och bränsleelementet med den äldsta förbränningshistorien ersättes med den giftförsedda bränsleanordningen vid varje tidpunkt för fullföljandet av en driftcykel för kärnreaktorn. Härvid är det också känt att göra den axiella effektförde1ningen,plat i reaktorkärnan genom att ha en högre bränsleanrikning i den övre tare 40 3 7909817-4 delen än i den nedre delen av reaktorkärnan.

De ovannämnda anordningarna avser användningen av bränsle- element innehållande förbrännbart gift, i syfte att minimera fre- kvensen för behovet av mekanisk styrning av reglerstavarna. I synnerhet avser den sistnämnda ett arrangemang av kombinerandet av bränsleelement som effektivt upprätthåller en väsentligen kons- tant överskottsreaktivitet över hela driftsperioden för kärnreak- torn.

Denna kända teknik avser emellertid åtgärder för reaktorkärnan i ett jämnviktstillstånd eller i en jämviktskärna och inte för den ursprungliga kärnan, d v s kärnan omedelbart efter byggandet av kärnreaktorn.

Naturligtvis är kärnreaktordrift med ett minmum av styrstavs- manövreríng möjlig även med ursprungskärnan om denna arrangeras pà så sätt att bränsleelement med olika förbränningshístorier kombine- ras med nya bränsleelement innehållande gift på det ovan beskrivna sättet. Emellertid är det svårt och opraktiskt att i varje nybyggd kärnreaktor inmonterat bränsleelement som har använts i någon eller några andra reaktorer.

Uppfinningen har därför,ti1l syfte att ge ett reaktorkärnarran- gemang som minmerar den frekvens med vilken styrstavarna behöver manövreras även i ursprungskärnan.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en metod för att ekonomiskt utnyttja bränsleelementen.

För att uppnå ovanstående syfte är i enlighet med uppfin- ningen reaktorkärnan så anordnad att varje bränsleenhet i till- ståndet för en ursprungskärna innefattar en gadolinium innehållande bränsleanordning och tre andra anordningar utan inne- och med en medelanrikning lägre än den för den gadolinium innehållande bränsleanordningen.

Vid varje bränsleelementutbytande sedan utbytes ett av bränsle- elementen som ej innehåller något gadolinium mßd Samma bränsleelement som det ovannämnda bränsleelementet som innehåller håll av gadolinium förbrännbart gift vid varje ersättníngstillfälle.

Ytterligare fördelar och egenskaper för uppfinningen framgår ytterligare av nedanstående beskrivning í anslutning till föredragna utföranden beskrivna i anslutning till ritningarna. I ritningarna visar fig_l ett diagram över karaktäristiken för ett bränsleelement 40 7909817-4 innehållande ett förbrännbart gift, fig Z ett diagram över karaktä- ristiken för ett bränsleelement, som saknar förbrännbart gift, fig 3 ett diagram över den karaktäristík, som erhålles genom en kombina- tion av de i fig 1 och 2 visade, fig 4 ett diagram över kurvorna för olika bränsleelement under den andra arbetscykeln för en kärnreaktor, fig 5 ett diagram över en reaktorkärnas kurva eller karaktäristik anordnad i enlighet med uppfinningen, jämförd med den för en reaktor- kärna med ett konventionellt arrangemang, fig 6 ett bränsleelement innehållande ett förbrännbart gift, konstruerad i enlighet med ett första utföringsexempel på uppfinningen, fig 6b anrikningen av bränsle stavarna, som utgör bränsleelementet, som visas i fig óa, fig 7 karaktäristika eller kurvan för bränsleelementet i fig 6a, fig 8 ett bränsleelement, som ej innehåller något förbrännbart gift, konstru- erat i enlighet med det första utföringsexemplet på uppfinningen, fig 8b anrikningen av bränslestavarna, som-ingår i bränsleelementet i fig 8a, fig 9 ett diagram som visar karaktäristiken eller kurvan för det i fig 8a visade bränsleelementet, fig 10 en bränslèersättnings enhet bestående av en kombination av bränsleelementen i enlighet med det första utföringsexemplet. Vidare visar fig 11 och 12 snitt genom initialarrangemanget i kärnan för en kokarreaktor i enlighet med det första utföringsexemplet på uppfinningen, varvid fig 11 visar den högra halvan av reaktorkärnan under det att fig 12 visar den vänstra halvan av reaktorkärnan, fig 13 är ett diagram, som visar förhållandet mellan graden av förbränning (exponering) och den effektiva neutron- multiplicerande faktorn sådan den kan observeras i den första arbets- cykeln för inítialkärnan i det första utföringsexemplet, fig 14 ett làganrikat bränsleelement, som ej innehåller något förbrännbart gift -utgörande initialkärnarrangemanget i enlighet med ett andra utföríngs- exempel på uppfinningen, fig 14b anrikningen av bränslestavarna som utgör bränsleelementet som visas i fig 14a, fig 1Sa ett måttligt an- ríkat bränsleelement i avsaknad av förbrännbart gift, utgörande ini- tíalkärnarrangemanget i enlighet med det andra utföringsexemplet på uppfinningen, fig 15b anrikningen av bränslestavarna utgörande det i fig 15a visade bränsleelementet, fig 16 ett höganrikat bränsleele- ment innefattande ett förbrännbart gift, utgörande initialkärnarrange- manget i enlighet med det andra utföringsexemplet på uppfinningen, fig 166 anrikningen av bränsleelementet sådant det visas i fig 16a, fig 17 ett diagram över karaktäristiken för det i fig 15a visade bränsleelementet, fig 19 ett diagram över karaktäristiken för det i 40 7909817-4 fig 16a visade bränsleelementet, fig 20 ett snitt genom inítialreaktor kärnan anordnad i enlighet med det andra utföringsexemplet pà upp- finningen, fig 21 ett diagram över förhållandet mellan raden av för- bränning (exponering) i initialkärnan och den effektiva neutronmulti- plicerande faktorn uppmätt i det andra utföringsexemplet på uppfin-- ningen, fig 22 ett diagram över den thermiska karaktäristiken för det andra utföringsexemplet pá uppfinningen och fig 23 schemat över styrstavsmanövreringen i enlighet med det andra utföríngsexemplet på ' uppfinningen. i Före beskrivningen av vart och ett av de föredragna utförings- exemplen skall nedan i anslutning till fig 1 och 5 den allmänna principen för uppfinningen beskrivas.

En konventionell kokarreaktor är så konstruerad att överskotts- reaktiviteten i reaktorkärnan upprätthàlles vid en föreskriven nivå under en på förhand bestämd period efter det att kärnan har laddats med bränslet, genom användningen av bränsleelement innehållande gadolinium som brännbart gift.

Pig 1 visar en infinit neutronmultiplicerande faktor K°° för ett bränsle som innehåller gadolinium. Abskíssan eller X-axeln represen- terar antalet arbetscykler för bränslet i reaktorkärnan, varvid num- reringen är i proportion till medelgraden av förbränning av bränslet i reaktorkärnan, under det att Y-axeln eller ordinatan representerar den ínfínita neutronmultiplicerande faktorn K“°, som är en parameter för reaktiviteten i reaktorkärnan.

Under den första arbetscykeln efter reaktorkärnans laddande med bränsle är ökningen i reaktívitet i det gadolinium innehållande bränslet avsevärd till följd av förbränningen härav. Ett faktum är att den ínfínita neutronmultiplicerande faktorn K“° ökas med en hastighet av 3% per bränsleförbränning av 1 GWd/st. Även när det gadolinium innehållande bränslet har beräknats så att mängden gado- linium är fullständigt bortbränd under den första av de fyra arbets- cyklarna under vilka bränslet kvarstannar i reaktorkärnan ökar re- aktiviteten för bränslet monotont till följd av förbränningen av det klyvbara materialet i och efter den andra av de fyra arbetscyklern: I detta tillstànd påverkas den ínfínita neutronmultiplicerande faktorn K°° icke så mycket av bränslet anrikning och sjunker gradvis med en hastighet av ungefär 1% per 1 GWd/st.

Pig Z visar den ínfínita neutronmultiplicerande faktorn K°° för bränslet som ej innehåller nagot gadolínium. I detta fall är den in- finita neutronmultiplicerande faktorn K°° monotont avtagande under IS 40 7909817-4 alla de fyra arbetscyklerna för bränslets närvaro i reaktorkärnan.

Reduktíonshastígheten för faktorn K°° beror inte så mycket på anrik- ningen av bränslet och är ungefär 1% per grad av förbränning av 1 GWd/st. Detta reduktionsförhållande för den infinita neutronmulti- plicerande faktorn är lika med reduktionshastigheten för faktorn K“° i det gaduliniumínnehàllande bränslet efter fullföljande av förbränningen av gadolinium. I Om vi antar att en bränsleenhet utgöres av fyra bränsleelement, som omger en gemensam styrstav innehåller ett av dessa fyra bränsle- element gadolinium, under det att de kvarvarande tre bränsleelementen ej innehåller något gadolinium ändrar sig den ínfinita neutronmulti- plicerande faktorn K i bränsleelementenheten som helhet ej väsent- ligt i förhållande till graden av förbränning, eftersom en av bränsle- anordníngarna uppvisar en ökning på 3% av faktorn K°° per grad av bränsleförbränning 1 GWd/st, under det att de tre andra bränsleele- menten, som ej innehåller något gadolinium uppvisar 1% förlust i faktorn Kf” per grad av förbränning av 1 Gwd/st. Därför upprätthàlles en väsentligen konstant överskottsreaktívitet per bränsleelement- enhet under den första cykeln, såsom visas i fig 3.

I enlighet med uppfinningen är därför bränsleelementen som är placerade i centrum av reaktorkärnan och upptar mer än 50% av reaktor- kärnans totala yta, grupperade i en mångfald bränsleersättningsenheter vilka vardera har fyra bränsleelement omgivande en gemensam styrstav.

Ett av de fyra bränsleelementen i varje enhet förnyas vid varje bräns- leersättningstillfälle. Initialkärnan är så anordnad att i var och en av bränsleelementersättningsenheterna innehåller en av de fyra bränsleelementet gadolinium under det att de andra tre bränsleelemen- ten ej ínnehåller gadolinium. Varje gång som bränsleelement utbytas ersättes ett av bränsleelementen som ej innehåller gadolinium av ett bränsleelement för förnyning, som är identiskt med det gadolinium innehållande bränsleelementet som placerats i ursprungskärnan. Således har i enlighet med uppfinningen alla fyra bränsleelementen i varje bränsleersättningsenhet ersatts med nya bränsleelement efter tre bränsleersättningsperioder.

I motsats till ovanstående är i det normala arrangemanget av initialkärnan alla fyra bränsleelementen anrikade och har gadolinium- innhåll som skiljer sig frän ersättningsbränsleelementen. I detta fall krävs därför fyra bränsleersättningsperíoder för att få alla fyra-bränsleelementen ersatta med bränsleersättningselement.

Om det gadoliniüminnehållande bränsleelementet är identiskt med ZS 40 7 7909817-4 ersättningselementen och anordnas i initialkärnan såsom är fallet vid uppfinningen är det möjligt att mjukt skifta reaktordriften från den första till nästa bränsleersättningsperiod. Dessutom på- minner reaktorkärnans karakteristika under första perioden om de vid efterföljande perioder. Uverskottsreaktiviteten under den första arbetsperioden stabiliseras nämligen och i de efterföljande perioder- na är ökningen och avtagandet för den infinita neutronmultiplicerande faktorn uttagande varandra för att minska ändringen i överskottsreak- tivitet. Vidare kan bränsleelement med låg anrikning användas som bränsleelement innehållande inget gadolinium i initialkärnan, efter- som reaktiviteten för dessa bränsleelement ej hålles tillbaka av gadolinium.

Detta förhållande skall beskrivas närmare i detalj nedan.

Fig 4 visar ändringen för den infinita mulitplicerande faktorn K°° under första drifts- eller arbetsperioden. Såsom framgår av den med 1 betecknade kurvan uppvisar bränsleelementet för konventionellt initialanordnande i kärnan en infinit neutronmultiplicerande faktor K°° som varierar i förhållande till graden av bränsleförbränning på så sätt att ett toppvärde observeras vid.en mellantidpunkt under den första driftsperioden. Kurvorna betecknade med 2 respektive 3 avser ett gadoliniuminnehållande bränsleelement och ett bränsleelement i avsaknad av gadolinium, som i kombination ger inititalkärnarrange- manget i enlighet med uppfinningen. I enlighet med uppfinningen är ett av de fyra bränsleelementen i varje bränsleersättningsenhet av den typ som innehåller gadolinium som uppvisar den av kurvan 2 visade karakteristiken, under det att de kvarvarande bränsleelementen upp- visar den av kurvan 3 i fig 4 visade karakteristiken.

Om det centrala området av reaktorkärnan upptar mer än 50% av denna och endast utgöres av gadoliniuminnehållande bränsleelement som uppvisar den konventionella karakteristiken sådan denna visas av kurvan 1 uppvisar reaktorkårnan en ändring av överskottsreaktivi- tet såsom visas av kurvan 6 i fig 5. Det vill säga överskottsreakti- viteten ökar en gång tillrett maximi- eller toppvärde under en arbets- period och avtar sedan. Vid den konventionella reaktorn kompenseras denna överskottsreaktivitet medelst mekanisk styrstavstyrningÅ I motsats till ovanstående upptar i enlighet med uppfinningen centralområdet av reaktorkärnan bestående av mer än 50% av reaktor- kärnans totala yta av en mångfald enheter vilka vardera har ett ga- doliniuminnehållande bränsleelement uppvisande karaktäristiken enligt kurvan 2 och tre bränsleelement i avsaknad av gadolinium, som uppvisar v 'få 40 7909817-4 8 den av kurvan 3 i fig 4 visade karaktärístiken. Följaktligen förblir överskottsreaktiviteten väsentligen konstant under hela arbetsperioden såsom visas av kurvan 7 i fig S. Detta i sin tur eliminerar de täta styrstavsregleríngarna för upprätthållande av konstant överskottsreak- tivitet och säkerställer förbättrade driftsvillkor för kärnreaktorn.

Den miníminivå av överskottsreaktivitet som skall upprätthàllas bestäms på förhand av olika restriktioner och krav avseende kärn- reaktorns drift. Normalt bestämmes anrikningen av bränsleelementen för att säkerställa en överskottsreaktívitet på en högre nivå än miniminivån under hela förbränningsperioden och graden av ínskjutning för styrstavarna väljes på så sätt att de uppväger den överskjutande överskottsreaktiviteten. Till följd härav kräver normalt bränsle- elementen en hög medelanrikning motsvarande värdet av den infinita multiplicerande faktorn K”° såsom visas av koordinaten 4 i fig 5.

Eftersom emellertid i enlighet med uppfinningen initialkärnan utgöres av två slag av bränsleelement det villfsäga det gadolinium innehållande bränsleelementet med den i karaktäristik i enlighet med kurvan Z och bränslelementet utan gadolinium med karaktäristiken en- ligt kurvan 3 i fig 4 som är kombinerade med ett förhållande pà 1 - 3.

Till följd härav krävs för att upprätthålla överskottsreaktiviteten i reaktorkärnan initialkärnbränsleelement utan gadolinium med en för- hållandevis låg anrikningsgrad motsvarande värdet för den infinita neutronmultiplicerande faktorn K°° såsom visas i fig 4 av benaten 5.

Detta i sin tur ger upphov till en förbättrad bränsleekonomi, efter- som i allmänhet bränslestavarna med lägre anrikningsgrad kan pro- duceras med en lägre kostnad. a Skälet till varför varje enhet utgöres av fyra bränsleelement är att i den centrala delen av kärnan i vilken effektnivân är hög, är det att föredraga att alla bränsleelementen ersättes i fyra ar- betsperioder, varvid varje arbetsperiod är ett år, detta mot bakgrund av graden av bränslets förbränning. Ett ytterligare skäl till varför fyra närliggande bränsleelement utgör en enhet för bränsleersättning är att genom att göra på detta sätt är det möjligt att upprätthålla symmetrin och homogeniteten för reaktorkärnan. Vidare är det omrâde i vilket bränsleersättningsenheterna utgöres av fyra bränslelement begränsad till den centrala delen av kärnan det vill säga mera än 50% av karnans totala yta. Eu första skäl härför är att de' beskrivnà fördelarna ej kan utnyttjas fullständigt om ytförhållandet för områ- det í förhållande till totalytan för reaktorkärnan är liten. Eftersom vidare effekten är förhållandevis låg i de perifera delarna av reak- 40 9 7909817-4 torkärnan kan för det andra bränsleelementen stanna över fem eller flera perioder i den perifera delen varför det ej är nödvändigt att över hela kärnan byta bränsleersättningsenheter bestående av fyra bränsleelement i de perifera delarna.

Ett första utföringsexempel på uppfinningen skall nedan beskri- vas i detalj i anslutning till fíg 6-13.

Till att börja med antages att den kokarreaktor, vid vilken uppfinningen utnyttjas har en elektrisk märkuteffekt av 1100 Mwe och att reaktorkärnan utgöres av 764 bränsleelement, vilka vardera innefattar 62 bränslestavar och två vattenstavar med en längd av 3,7 meter (146 tum).

Av fig 6a och ób framgår arrangemanget av de gadoliniuminne- hållande bränsleelementen för ersättning. De gadoliniuminnehållande bränsleelementen för initialkärnan har samma konstruktion som bräns- leelementet för .ersättning som visas i fig 6a och 6b. Pig 6a visar tvärsnittet av bränsleelementet under det att fig 6b visar respektive bränslestavar och vattenstavar. Hänvisningsbeteckningarna É-12 avser bränslestavar med anríkningsgrader på 3,7%, 3,4%, 2,4%, Z,0%, 1,6% respektive. Bränslestavar med en anríkningsgrad på 2,4% och en gado- liniumkoncentration på 3,5% har givits hänvisningsbeteckningen 13.

Slutligen avser hänvisningsbeteckningen 14 vattenstavarna. Bränsle- elementet som helhet har en medelbränsleanrikníng på 2,77% och är inneslutet i en låda eller kanal 15.

Pig 7 är ett diagram som visar förhållandet mellan graden för- bränning och den infinita neutronmultiplicerande faktorn K°° sådan denna observeras i ersättningsbränsleelementet. Detta förhållande åstadkommes genom en beräkning gjord med utgångspunkt från antagandet att blåsförhållandet är 40%. Såsom framgår av denna siffra ökar den infinita neutronmultiplicerande faktorn K°° monotont i början av för- bränningsperioden, eftersom gadoliniumet som i detta fall utgör gif- tet reduceras allt eftersom förbränníngen fortgår. Ukningsgraden för faktorn K°° minskar emellertid gradvis när graden förbränning när 6 Gwd/st och efter det att graden förbränning övergår 8 GWd/st bör- jar faktorn K reduceras. Graden av ökning för faktorn K°° är unge- fär 3,S% per 1 GWd/st, under det att sänkningshastigheten för faktorn K°° är ungefär 1,1% per 1 GWd/st. I detta utförande motsvarar en uppehållsperiod för bränsleelementet i reaktorkärnan, såsom visas GWd/st.

Pig 8a och Sb visar ett exempel på bränsleelementet som ej inne- í fig 1 mot en förbränningsgrad av ungefär 6,2 häller något gadolinium vilket även användes i enlighet med uppfin- 40 7909817-4 1o ningen i den ursprunglia kärnan. Mer speciellt visar fig 8a tvär- snittet av reaktorkärnan under det att fig 8b visar bränslestavarna och vattenstavarna som ingår i bränsleelementet. Hänvisningsbeteck- ningarna 16-18 betecknar bränslestavar med anrikningsgrader på 1,7%, 1,4% respektive 1,1%, under det att referensbeteckningen 14 avser en vattenstav. Bränsleelementet som helhet har en anrikningsgrad på 1,51% och är anordnat i en kanal eller hölje 15.

Pig 9 visar förhållandet mellan graden av bränsleförbränning och den infinita neutronmultiplicerande faktorn K“= sådan denna observeras i bränsleelementet för ursprungskärnan sådan den visas i fig Sa. Paktorn K°° minskar monotont allt eftersom graden av för- brännt bränsle ökar, detta eftersom detta bränsleelement ej innehål- ler något gadolinium. Graden av sänkning för faktorn K°° är ungefär 1,1% per 1 GWd/st.

Pig 10 visar uppbyggnaden av ett exempel på bränsleersättnings- enheten bestående av fyra närbelägna bränsleelement i ursprungskär- nan arrangerade i enlighet med uppfinningen. I denna figur avser hänvisningsbeteckníngarna 21-23 de bränsleelement som ej innehåller något gadolinium, såsom visas i fig 8a, under det att beteckningen 24 avser det gadolinium innehållande bränsleelementet, vilket är í- dentiskt med det avsett för förnyníng, visat i fig 6a. Vid inled- ningen av den andra dríftsperioden, ersättes brånsleelementet 21 med det i'fig 6a visade bränsleelementet för förnyning. På liknande sätt ersättes bränsleelementen 22 och 23 med ersättnings- eller för- nyningsbränsleelement vid början av den tredje respektive fjärde driftsperíoden. Därför är under den fjärde dríftsperioden alla bräns- leelementen i enheten förnyningsbränsleelement innehållande gadoli-I nium. 1 Ersättandet av bränsleelementen i den nämnda ordningen kan åstad- kommas på konventionellt sätt. Beskrivningen av hur bränsleelementen ersättes har därför utlämnats.

Pig 11 och 12 visar ett exempel på initialkärnan i en kokar- reaktor anordnad i enlighet med uppfinningen. I synnerhet visar fig 11 och 12 de högra och vänstra halvorna av reaktorkärnan. I dessa figu- rer avser hänvisningsbeteckníngarna 21-23 initialkärnans bränsleele- ment i enlighet med fig 10 under det att beteckningen 24 avser er- sättníngsbränsleelement. Hänvisningsbeteckningen 25 avser initial- kärnans bränsleelement som är placerade i perifera delen av reaktor- kärnan och som tillåtes stanna i reaktorkärnan under fem eller flera dríftsperioder. Bränsleersättningsenheterna som vardera har bränsle- 40 ll 7909817-4 element 21-24 är placerade i andra områden än den perifera delen av reaktorkärnan. företrädesvis är dessa enheter placerade i reaktor- kärnans centrala område utgörande mer än 50% av reaktorkärnans tvär- snittsyta.

Fig 13 visar förhållandet mellan den effektiva neutronmultiplí- cerande faktorn Keff och graden av bränsleförbränning sådan denna observeras när initialkärnan är arrangerad i enlighet med fig 11 och 12. Dettaaförhållande bestämmes genom en beräkning utgående från an- tagandet att förbränningen åstadkommas med ett på förhand bestämt antal styrstavar inskjutna i reaktorkärnan, i syfte att utvärdera graden av ändring i överskottsreaktiviteten. Såsom framgår åstadkom- mes fluktueringen Keff inom ett område på ï0,8% under den första driftsperioden. Härav framgår att ändringen i överskottsreaktivitet i förhållande till bränsleförbränningen är liten och att överskotts- reaktiviteten är stabiliserad i initialkärnan, tack vare bränsle- elementarrangemanget i enlighet med uppfinningen. Såsom har beskrivits utgöres i uppfinningens första utförande det centrala området av initialkärnan av en mångfald bränsleersättníngsenheter vilka vardera har ett gadoliniuminnehållande bränsleelement identiskt med ersätt- ningselementen och tre bränsleelement för ursprungskärnan i avsaknad av gadölinium. Till följd härav är ändringen i överskottsreaktivitet under den första dríftsperioden i förhållande till bränsleförbränf ningen liten så att den mekaniska styrstavsmanövreringen för upprätt- hållande av väsentligen konstant överskottsreaktivitet är eliminerad förssäkerställande av en bättre utnyttjad effektiv driftstid för reak- torkärnan. Pâ liknande sätt erhålles en stabil kärnreaktormanövrering också under de andra tredje och fjärde driftsperioderna till följd av att de kvarvarande tre bränsleelementen ersättes ett efter ett vid bränsleelementutbytena mot ett förnyningsbränsleelement som är identiskt med det gadoliniuminnehållande bränsleelementet i ursprungs- kärnan. Vidare är det i enlighet med uppfinningen möjligt att förbätt- ra bränsleekonomin, eftersom medelanrikningen för de gadoliniumfria bränsleelementen i ursprungskärnan som krävs för att upprätthålla den erforderliga överskottsreaktiviteten är mindre än medelanrikníngen för det gadolíniuminnehållande bränsleelementet. M Uppfinningen skall nedan beskrivas-ytterligare i anslutning till ett andra utföringsexempel i anslutning till fig 14a-23.

Pig 14a visar ett låganrikat bränsleelement 30 som inte innehål- ler något gadolinium för initíalkärnan anordnat i enlighet med det andra utförandet på uppfinningen. Fig 145 visar anrikningen av bränsle- ZS 40 7909817-4 “Z stavarna 32, 32, 33 utgörande det làganrikade bränsleelementet i fíg 14a. En symbol W i fig 14a representerar vattenstaven. Det lágan- rikade bränsleelementet 30 innehåller inget gadolinium och uppvisar en infinít neutronmultiplícerande faktor K“” som varierar med graden av bränsleförbränning på det sätt som visas i fig 17.

Pig 15a visar ett medelanrikningselement 40 i avsaknad av gado- linium avsedd för att i initialkärnan arrangeras i enlighet med det andra utföringsexemplet, under det att fig 15b visar anríkningen för bränsleelementen 41, 42, 43, 44 utgörande medelanrikningsbränsleele- mentet 40 sådant det visas i fig 15a. Bland dessa bränslestavar, har var och en bränslestavarna 41, 42 en anríkningsgrad som är högre i den övre delen än i den nedre delen därav så att medelanrikningsbräns- leelementet kan ha en tíllplattad effektfördelning i axiell riktning för reaktorkärnan. Medelanríkningsbränsleelementet 40 uppvisar en infínít neutronmultiplicerande faktor K°° i enlighet med fig 18.

Eftersom detta bränsleelement innefattar bränslestavar med olika an- rikning i sina övre och nedre delar uppvisar bränsleelementet 40 olika infinit neutronmultiplicerande faktor K°” i respektive övre och nedre delar, såsom betecknats av 1,95 w/o NoGd och 1,74 w/o NoGd.

Pig 16a visar ett höganrikat gadoliníuminnehállande bränsleele- ment 50 under det att fig 16b visar anrikningen för bränslestavarna S1, 52, S3, 54,'S5, 56, G1 och G2 utgörande det gadoliniumínnehållande höganrikande bränsleelementet 50. Symbolerna G1 och G2 representerar de gadoliniuminnehållande bränslestavarna. Den gadoliniuminnehàllande bränslestaven G1 har olika gadoliníuminnehåll i sina övre och nedre 1 delar. Det vill säga, gadoliníuminnehàllet är lägre i den övre Aelen. för bränslestaven G1 än i den nedre delen för densamma. Var och en av bränslestavarna 52, 53, S4 har en större anrikningsgrad i sin övre del än i sin nedre del. _ Detta gadoliniuminnehållande höganríkade bränsleelement S0 upp- visar som helhet en K°° -faktor som visas av kurvan 3,04 w/o Cd och en K°° -faktor som visas av kurvan 2,82 w/o Gd observerade i de övre och nedre delarna för bränsleelementet 50 respektive. iFig 20 visar initialkärnan, som utgöres av de låganrikade bränsle- elementen 30, de medelanrikade bränsleelementen 40 och de gadolíníum- innehållande högt anrikade bränsleelementen S0. En bränsleersättnings- enhet bestående av fyra bränsleelement har betecknats med 70. De fles- ta bränsleersättningsenheterna har två medelanrikade bränsleelement 40 anordnade diagonalt, ett gadoliniumínnehållande högt anrikat bränsleelement 40 och ett låganrikat bränsleelement 30, som är anordnad 40 7909817-4 symmetriskt i förhållande till diagonallínjen mellan de tvâ medelan- rikade bränsleelementen 40. I Fyra låganrikade bränsleelement 60 inom en dubbellinjerad fyr- kant ó0 utgör en kontroll-eller styrcell. Styrstavarna är inskjutna endast till styrcellerna 60 och manövreras mekaniskt på erforderligt sätt vid kärnreaktorns drift. I I enlighet med det första utföringsexemplet är planen för bränsle ersättningen sådan, att ett av bränsleelementen i varje bränsle- ersättningsenhet 70 ersättes med förnyelsebränsleelement efter full- följande av varje driftscykel. Mer i detalj ersättes efter den första driftsperioden det låganrikade bränsleelementet 30 med ett gadolinium- innehållande höganrikat bränsleelement 50. På liknande sätt ersättes efter den andra driftsperioden ett av de medelanríkade bränsleelemente 40 med ett gadoliníuminnehàllande höganrikat bränsleelement 50 under det att det andra medelanrikade bränsleelementet 40 ersättes med ett gadoliniuminnehâllande höganrikat bränsleelement S0 efter fullföljan- det av den tredje driftsperioden. Efter var och en av de efterföljan- de driftsperioderna förnyas bränsleelementet med den älsta förbränn- íngstiden i var och en av bränsleersättningsenheterna 70. De låg- anríkade bränsleelementen 30 i styrcellen 60 ersättes'ett efter ett med nya låganrikade bränsleelement 30 efter varje driftsperiod.

Fig 21 visar hur den effektiva neutronmultiplicerande faktorn Keff ändras i förhållande till graden av bränsleförbränning under den första driftsperioden i den ursprungliga kärnan anordnad i enlighet med det andra utföringsexemplet. I detta andra utförings~ exempel användes två olika slag av gadoliniumfria bränsleelement: det ena är det låganrikade bränsleelementet 30 under det att det andra är det mediumanrikade bränsleelementet 40. Arrangemanget i utgângskärnan i det andra utföringsexemplet är därför komplicerat i jämförelse med det första utföringsexemplet. Eftersom emellertid ändringen för den effektiva neutronmultiplicerande faktorn Keff i förhållande till graden av förbränning är förhållandevis flat, är styrningen av initialkärnan avsevärt underlättad.

Pig 22 visar hur den maximala linjära uteffekttätheten ändras i förhållande till graden av bränsleförbränníng, för ett bättre förstående av den termiska karaktäristíken för reaktorkärnan. Det framgår att en tillräcklig termisk marginal àstadkommes också i reaktorkärnan med små ändringar i överskottsreaktivitet såsom i det andra utföringsexemplet.

Pig 23 visar planen för styrstavsmanövrering under den första 40 M 7909817-4 driftsperioden för reaktorkärnan i enlighet med det andra utförings- exemplet på uppfinningen. Siffrorna runt kärnans centrum represen- terar antalet hak eller snäpp som styrstavarna inskjutes i styr- cellerna. Antalet styrstavar är 9 och är således mindre än i en konventionell reaktorkärna, varför en enklare mekanisk styrning av styrstavarna kan utföras. ' I det andra utföringsexemplet användes två slag av gadolinium- fria bränsleelement, d v s det låganrikade bränsleelementet 30 och det medelanrikade bränsleelementet 40. Eftersom dessa bränsleele- ment ej innehåller något gadolinium kan de ha en avsevärt sänkt anrikningsgrad. Nämnas bör att i den konventionella reaktorkärnan utgöres alla fyra bränsleelementen i en bränsleersättningsenhet gadoliniuminnehâllande höganrikade bränsleelement. I det beskrivna utföringsexemplet är emellertid antalet gadoliniuminnehällande hög- anrikade bränsleelement reducerat till ungefär en fjärdedel, så att initialkärnan kan åstadkommas till en reducerad kostnad. .

Eftersom vidare en förhållandevis flat Keff karaktäristik upprätthálles under den första driftsperioden för initíalkärnan sänkes frekvensen för styrstavsmanövrering med ty åtföljande för- bättrade manöverförhållande för kärnreaktorn. Även om uppfinningen har beskrivits ovan i form av föredragna utföringsexempel bör det observeras att dessa utföringsexempel ej är exklusiva, utan att olika ändringar och modifieringar kan bibríngas dessa utan att man avlägsnar sig från uppfínningstanken sådan den definieras av patentkraven.

Claims (6)

:s 7909817-4 P a t e n t k r a v

1. Anordning vid kärnreaktorkärna med en mångfald_bränsleenheter anordnade i det centrala området av reaktorkärnan och upptagande mer än 50% av den totala ytan för reaktorkärnan, varvid varje bräns- leenhet innefattar fyra närbelägna bränsleanordningar som omger en styrstav, vilka bränsleanordningar för varje bränsleenhet är anord- nade att ersättas en i sänder vid succesiva bränslccrsättningscyk- ler, k ä n n e t c c k n a d a v att varje bränsleenhet i till- ståndet för en ursprungskärna innefattande en gadolinium innehållande bränsleanordning och tre andra anordningar innehållande inget gadoliníum och med ett medelanrikning lägre än den för gadolínium innehållande bränsleanordningen.

2. Z. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att bränsleanordningarna i bränsleenheten som ej innehåller gadolinium är anordnad att ersättas en i sänder vid varje bränsleersättningsqdel med en gadolininm innehållande ersättníngsbränsleanordning, varvid den bränsleersättníngsinnehållande bränsleanordningen är konstruerad på samma sätt som den bränsleinnehållande bränslean- ordningen för inítíalkärnan..

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att de tre bränsleanordningarna som ej innehåller gad01í_“ nium i varje bränsleenhet innefattar en kombination av åtminstone en låganrikningsbränsleanordning och åtminstone en medelanriknings- bränsleanordníng. I

4. Anordning i enlighet med krav 3, k ä n n e t e c k n a d a v att de tre bränsleanordningarna som ej innefattar något gadolinium vid varje bränsleenhet innefattar en låganriknings- bränsleanordning och två medelanrikningsbränsleanordningar.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att var och en av hränsleanordningarna har en övre och en nedre del varvid var och en av medelanrikníngsbränsleanordningarna har en större anrikníng i den övre delen än i den nedre delen, varvid den gadoliníuminnehållande bränsleanordningen har ett större innehåll gadolinium_ i den nedre delen än i.den övre delen och den gadolinium A innehållande bränsleanordníngen har en högre anrik- ningsgrad i den övre delen än i sin nedre del.

6. Anordning enligt krav'5, k ä n n e t e c k n a d a v att i var och en av bränsleenheterna, är den låganrikade bränsleanord- ningen ersatt med den gadolinium innehållande bränsleanord- ningen vid fullständigandet av den första cykeln, varvid en av 7909817-4 M medelanríkningsbränsleanordningarna är ersatt med nämnda ga- dolínium innehållande ersättningsbränsleanordníng vid fullständi- gandet av den andra cykeln, och den andra av nämnda mediumanrík- níngsbränsleanordningarna är ersatt med nämnda gadolíníum innehållande bränslèersättníngsanordníng vid fullständígandet av den tredje cykeln.