CH654948A5 - Verfahren zum austauschen von brennstoff in einem leichtwassermoderierten siedewasserreaktor. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Kern in einem Kernreaktor enthält normalerweise mehrere hundert Brennstabbündel. Jedes Brennstabbündel besteht aus einer grösseren Anzahl Brennstäbe. In Siedewasserreaktoren werden somit häufig Brennstabbündel verwendet, die 8 x 8 Brennstäbe, manchmal 6 x 6, 7 x 7 oder 9x9 Brennstäbe enthalten. Einer oder einige dieser Brennstäbe kann/können auch durch inerte Stäbe oder Rohre ersetzt sein, die eine andere Funktion haben, als Energie zu erzeugen. Jeder Brennstab besteht aus einer grossen Anzahl von Brennstofftabletten, die in einem Hüllrohr übereinandergestapelt sind, das normalerweise aus Zirkaloy besteht. Die Brennstäbe sind in jedem Brennstabbündel zwischen einer unteren und einer oberen Gitterplatte angeordnet, in denen bestimmte Brennstäbe, die sogenannten tragenden Brennstäbe, verankert sind. Das Brennstabbündel wird in Siedewasserreaktoren von einer Brennstoffhülle umschlossen, die normalerweise aus Zirkaloy besteht. Innerhalb der Hülle werden die Brennstäbe in seitlicher Richtung durch Abstandshalter, die in senkrechter Richtung mit angemessenen Zwischenräumen angebracht sind, auf gewünschtem Abstand voneinander gehalten.

Wenn der Abbrand in einem Reaktor so weit fortgeschritten ist, dass der kleinste akzeptable Reaktivitätsbereich erreicht worden ist, nimmt man eine partielle Neuladung vor. Indem man auf geeignete Weise erwägt, wieviel Brennstoff einerseits ausgetauscht werden soll und wie gross andererseits die Anreicherung des Ersatzbrennstoffes ist, bekommt man einen Reaktivitätssprung, der eine gewisse Energieentnahme bis zum nächsten Brennstoffaustausch zulässt. Bei der partiellen Neuladung eines Siedewasserreaktors kann man beispielsweise 1/5 des Brennstoffes pro Betriebsjahr (oder pro einer anderen zweckmässigen Betriebsperiode) vom Ende des zweiten Betriebsjahres an austauschen. Dies bedeutet, dass der Brennstoff in dem beschriebenen Fall 5 Jahre lang beim Gleichgewichtszustand im Kern verbleibt, dass jedoch der Teil des Brennstoffes, der im Anfangsstadium ausgetauscht wird, eine kürzere Zeit, etwa 3 bis 4 Jahre, verwendet wird.

Der Austausch von Brennstoff erfolgte bisher in der Weise,

dass die Brennstabbündel aus dem Kern herausgenommen und Brennstabbündel mit neuem Brennstoff, meistens nach einer zweckmässigen Umplazierung der verbleibenden Brennstabbündel im Kern, in entstandene freie Plätze eingesetzt wurden. Durch die Umplazierung der Brennstabbündel soll dem Reaktor eine optimale Leistungsverteilung im Kern und eine optimale Reaktivität verliehen werden. Die Brennstabbündel, die aus dem Reaktorkern herausgenommen werden, werden dann zwecks Ausnutzung von übriggebliebenem, verwendbarem spaltbarem Material der Aufarbeitung zugeführt.

Gemäss der CH-PS Nr. 646 006 ist es bekannt, im Zusammenhang mit dem Brennstoffaustausch neue Brennstabbündel unter Verwendung von Brennstäben aus abgebrannten Brennstabbündeln zusammenzusetzen, so dass der durchschnittliehe Gehalt an spaltbarem Material in dem neuen Brennstabbündel höher als in den abgebrannten wird, und die derart zusammengesetzten Brennstabbündel während einer oder einiger weiterer Betriebsperioden im Reaktor zu verwenden. Indem man die abgebrannten Brennstabbündel auf diese Weise verwendet, können sehr grosse Ersparnisse hinsichtlich der Brennstoffkosten erreicht werden. Die abgebrannten Brennstabbündel, die in dem bekannten Fall beim Zusammensetzen des neuen Brennstabbündels verwendet werden, haben für leichtwassermoderierte Siedewasserreaktoren, für die Urandioxid oder Urandioxid und Plutoniumdioxid als Brennstoff verwendet wird, einen Gehalt an spaltbarem Material in Form von U 235 oder U 235, Pu 239 und Pu 241 von höchstens 1,75% des Anfangsgewichtes von Uran oder Uran und Plutonium im Brennstoff. Gemäss der genannten Patentschrift ist es auch bekannt, beim Zusammensetzen eines neuen Brennstabbündels in einem Teil der Positionen für Brennstäbe wassergefüllte Rohre anstelle von Brennstäben zu plazieren, um dadurch das Volumenverhältnis Wasser/ Brennstoff und somit die Möglichkeiten zu vergrössern, restliches spaltbares Material weiter zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch welches sich die Brennstoffkosten senken lassen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist es eine Voraussetzung, dass der Reaktor bei der Inbetriebssetzung mit einem niedrigeren Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff als üblicherweise ausgerüstet wird. Der Reaktor wird normalerweise mit Urandioxid gestartet. Während des Betriebes werden Plutoniumisotope aus U 238 gebildet. Es ist jedoch auch möglich, den Reaktor mit einer Mischung aus Urandioxid und Plutoniumdioxid zu starten. Bei dem erfindungsgemässen Austausch, wenn der Durchschnittsgehalt an spaltbarem Material auf nicht niedriger als 1,80% des Anfangsgewichtes an Uran oder Uran und Plutonium abgesunken ist, werden alle oder die meisten Brennstäbe mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material durch Brennstäbe mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material durch bereits verwendete Brennstäbe ersetzt. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, dass Brennstäbe nur innerhalb eines Brennstabbündels umpositioniert werden. Es können auch Brennstäbe aus anderen Brennstabbündeln des Reaktors zur Umpositionierung verwendet werden.

Das angegebene Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff entspricht einer vereinfachten Form, um die moderierenden Eigenschaften des Brennstoffgitters zu beschreiben. Es wird dadurch berechnet, dass man die Summe aller im Kern vorkommenden Volumen, die normalerweise vom Kühlmittel und dem Moderator (Wasser) ausgefüllt werden, durch die Summe aller Volumen dividiert, die von Brennstoff ausgefüllt werden. Bei der Bestimmung des Kühlmittelvolumens wird auf solche Weise auf das Sieden Rücksicht genommen, dass die von Dampf beanspruchten Volumen abgerechnet werden.

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Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff ist bei der Inbetriebsetzung eines leichtwassermoderierten Siedewasserreaktors mit Urandioxid oder Urandioxid und Plutoniumdioxid als Brennstoff normalerweise 1,90 bis 2,10.

Bei einer optimalen Ausnutzung des Brennstoffes in dem neuen Brennstabbündel werden die Ersatzstäbe und die Wasserrohre vorzugsweise so plaziert, dass der interne Leistungsformfaktor des neuen Brennstabbündels, d.h. der Quotient des höchsten örtlichen Wertes der Leistung und dessen Durchschnittswert in einem horizontalen Schnitt durch das Brennstabbündel, bei mindestens 1,20 und vorzugsweise bei 1,30 bis 1,50 liegt.

Um das neue Brennstabbündel entsprechend der Erfindung herzustellen, können die Brennstäbe mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material durch Brennstäbe mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material aus demselben Brennstabbündel ersetzt werden. Die Brennstäbe mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material liegen, ausser möglicherweise in Ausnahmefällen, an Wasserspalten um das Brennstabbündel herum, und Brennstäbe mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material liegen zumindest normalerweise in zentralen Teilen des Bündels. Die Brennstäbe, welche die Brennstäbe mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material ersetzen, können auch aus einem anderen Brennstabbündel als aus demjenigen genommen werden, aus dem die letztgenannten herausgenommen wurden.

Hantierungsmässig ist es vorteilhaft, wenn Brennstäbe mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material, die benutzt werden, um Brennstäbe mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material zu ersetzen, durch wassergefüllte Rohre ersetzt oder deren Positionen frei gelassen werden.

Beim Zusammenstellen eines neuen Brennstabbündels können ferner anstelle eines oder mehrerer Brennstäbe in einem Teil der Positionen für Brennstäbe im Brennstabbündel Stäbe oder Rohre plaziert werden, die brennbares Neutronenabsor-bermaterial, wie z.B. Gadolinium, Bor oder Samarium, in einem geeigneten Trägermaterial, wie Urandioxid, Zirkaloy oder Stahl verteilt, enthalten. Auf diese Weise kann man eine verstärkte Reaktivitätskontrolle während des anfänglichen Teils der Betriebsperiode erreichen und gleichzeitig am Ende der Betriebsperiode eine günstige Wirkung erhalten, die gleichartig der eines wassergefüllten Rohres ist.

Um die Erfindung in vollem Umfang auszunutzen, sollten beim Brennstoffaustausch mehrere (zehn oder mehr) partiell abgebrannte Brennstabbündel im Reaktor durch Brennstabbündel ersetzt werden, die nach der Erfindung zusammengestellt wurden. Vom neutronenwirtschaftlichen Gesichtspunkt aus ist es vorteilhaft, eine Rekonstruktion der Brennstabbündel nach der Erfindung mehr als einmal während ihrer Anwendung im Reaktor vorzunehmen.

Die Erfindung soll nachstehend durch Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Hinweis auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt einen horizontalen Schnitt eines Teils eines Reaktorkerns für einen leichtwassermoderierten Siedewasserreaktor.

Fig. 2 zeigt ein Brennstabbündel im Reaktorkern nach Fig. 1, wobei der Anfangsgehalt in Prozenten an spaltbarem Material, bestehend aus U 235, für jeden Brennstab angegeben ist.

Fig. 3 zeigt dasselbe Brennstabbündel nach 3 Betriebsjahren unter Angabe des Gehaltes an spaltbarem Material in Form von U 235 und aus U 238 gebildetem Pu 239 und Pu 241.

Fig. 4 zeigt ein Brennstabbündel, das aus dem Brennstabbündel nach Fig. 3 gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.

Fig. 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt eines horizontalen Schnittes durch den Reaktorkern eines Siedewasserreaktors mit vertikalen Brennstabbündeln. Der Schnitt zeigt neun ganze

Brennstabbündel 10. Die Gesamtzahl der Brennstabbündel in dem vollständigen Querschnitt beträgt mehrere hundert. Wie beispielsweise für das Brennstabbündel 10a dargestellt, ist jedes Brennstabbündel aus 64 Brennstäben 11 aufgebaut, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Das Brennstabbündel ist von einer Brennstoffhülle 12 aus Zirkaloy-4 mit quadratischem Querschnitt umgeben. Die Stäbe werden von nicht gezeigten Abstandshaltern in ihrer Lage gehalten, die mit gleichem Abstand zwischen ebenfalls nicht gezeigten unteren und oberen Gitterplatten plaziert sind. Jeder Brennstab besteht aus einer Anzahl Tabletten aus Urandioxid als Brennstoff, die auf-einandergestapelt und in einem Rohr 13 aus Zirkaloy-2 eingekapselt sind. Die freien Räume 14 zwischen und um den Brennstäben in der Brennstoffhülle werden von Kühlmittel, in dem vorliegenden Fall leichtes Wasser, durchströmt. Die Spalte 15a und 15b zwischen den Brennstabbündeln werden auch von Kühlmittel gleicher Art durchströmt. Die Spalte 15b, in die Steuerstäbe 16 eingeführt werden können, sind breiter als die Spalte 15a, in denen keine Steuerstäbe vorgesehen sind. Der Querschnitt zeigt auch Neutronenquellen 17 sowie Neutronendetektoren 18.

Einer oder mehrere der Brennstäbe kann/können, wie eingangs bereits erwähnt, gegen einen, keine Energie erzeugenden Stab ausgetauscht werden. Somit könnte beispielsweise der Stab 19 gegen einen massiven oder mit Wasser gefüllten Stab aus Zirkaloy-2 ausgetauscht werden. Die Brennstäbe 20, 21, 22 und 23 sind an unteren und oberen Gitterplatten im Brennstabbündel verankert. Die gestrichelten Linien AB und AC teilen die Spalte 15b in der Mitte, und die gestrichelten Linien BD und CD teilen die Spalte 15a in der Mitte. Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff ist unter Hinweis auf Fig. 1 das Verhältnis zwischen einerseits der Summe der Volumen der Räume 14 (für Sieden kompensiert), der Volumen von zwei halben Spalten 15a, der Volumen von zwei halben Spalten 15b und dem Volumen des Wassers in eventuellen mit Wasser gefüllten Stäben 19 und andererseits der Summe der Tablettenvolumen in sämtlichen brennstofftragenden Stäben 11.

Der Abstand der Brennstäbe untereinander wird vor allem durch die reaktorphysikalischen Forderungen hinsichtlich optimaler Neutronenwirtschaftlichkeit und durch die neutronenmultiplizierenden Eigenschaften des Kerns bestimmt. Bei der Wahl des Stababstandes wird auch Rücksicht auf die Wirkung des zusätzlichen Wassers in den Spalten zwischen den Brennstabbündeln genommen, was von grosser Bedeutung für die örtliche Verteilung des Neutronenflusses ist. Dieses Wasser verursacht einen örtlich erhöhten Neutronenfluss, so dass Brennstäbe, die an Wasserspalten liegen, stärker belastet werden als andere Brennstäbe. Um die Leistungsverteilung im Brennstabbündel soweit wie möglich auszugleichen, werden Brennstäbe mit unterschiedlich starker Anreicherung an spaltbarem Material, in dem beschriebenen Fall U 235, in verschiedenen Positionen des Brennstabbündels verwendet.

Fig. 2 zeigt als Beispiel ein Brennstabbündel mit unterschiedlichen Anfangsgehalten von U 235 in verschiedenen Brennstäben, ausgedrückt in Prozent des Anfangsgewichtes von Uran im Brennstoff (Urandioxid). (Die nachstehend genannten % betreffen ebenfalls Prozentsätze des Anfangsgewichtes Uran im Brennstoff.) Die Durchschnittsanreicherung liegt bei 2,75%. Beim Zusammensetzen des Brennstabbündels werden vier verschiedene Anreicherungsstärken verwendet, und zwar 1,18%, 2,02%, 2,80% und 3,50%. In den mit 19 bezeichneten Positionen ist ein massiver Stab aus Zirkaloy-2 angeordnet. Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff im Bündel ist 1,80. Zur übersichtlicheren Darstellung sind in der Figur die Brennstäbe selbst nicht dargestellt, sondern nur der Anreicherungsgehalt derselben.

Fig. 3 zeigt dasselbe Brennstabbündel nach drei Betriebsjahren. Die obere, mit 24 bezeichnete Ziffer jedes Feldes nennt

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den Anreicherungsgehait an U 235 in Prozent und die mit 25 bezeichnete untere Ziffer nennt den gesamten Anreicherungsgehalt an Pu 239 und Pu 241 in Prozent für jeden Brennstab im Brennstabbündel. Das Plutonium wurde dabei während des Betriebs durch Einfangen schneller Neutronen in U 238 gebildet.

Der früher erwähnte höhere Neutronenfluss und die damit zusammenhängende höhere Leistung in den Stäben an den Wasserspalten 15a und 15b hat, wie man sieht, zur Folge, dass das spaltbare Material, vor allem U 235, Pu 239 und Pu 241, hier schneller verbraucht wird, als in den zentralen Teilen des Brennstabbündels. Dieses verändert mit der Zeit die anfänglich vorhandene Anreicherungsverteilung, so dass die Leistung im Brennstabbündel ausgeglichen wird. Der Durchschnittsgehalt an U 235, der anfänglich bei 2,75% lag, liegt nach drei Betriebsjahren bei 1,51%, und der Durchschnittsgehalt der gesamten Menge Pu 239 (0,40%) und Pu 241 (0,04%) liegt bei 0,44%. Die Spaltung eines U 235-Kerns und eines Pu-Kerns ergibt ungefähr dasselbe Leistungsergebnis. Die Menge spaltbaren Materials ist somit auf ungefähr 1,95% reduziert worden. Das restliche spaltbare Material ist auch in anderer Weise auf die Brennstäbe des Brennstabbündels verteilt.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Brennstabbündel nach Fig. 3 durch die nachstehenden Massnahmen rekonstruiert, wobei man das Brennstabbündel nach Fig. 4 erhält:

Der Brennstab 48 wird durch den Brennstab 49 ersetzt

Der Brennstab 31 wird durch den Brennstab 32 ersetzt

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ein mit Wasser gefülltes Rohr 33 ersetzt

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den Brennstab 35 ersetzt

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den Brennstab 36 ersetzt

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ein mit Wasser gefülltes Rohr 37 ersetzt

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den Brennstab 39 ersetzt

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den Brennstab 40 ersetzt

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ein mit Wasser gefülltes Rohr 41 ersetzt

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den Brennstab 43 ersetzt

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ein mit Wasser gefülltes Rohr 44 ersetzt

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den Brennstab 46 ersetzt

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ein mit Wasser gefülltes Rohr 47 ersetzt

49 » » ein mit Wasser gefülltes Rohr 50 ersetzt

51 » » den Brennstab 52 ersetzt

52 » » ein mit Wasser gefülltes Rohr 53 ersetzt

54 » » den Brennstab 42 ersetzt

55 » » den Brennstab 45 ersetzt.

Dies bedeutet, dass die Brennstäbe 31, 34, 38, 48, 51, 54 und 55 aus dem Brennstabbündel nach Fig. 3 herausgenommen io wurden, dass die Brennstäbe 32, 35, 36, 39, 40, 42, 43, 45, 46, 49 und 52 in neue Positionen in dem genannten Brennstabbün-del gebracht wurden, und dass wassergefüllte Rohre 33, 37, 41, 44, 47, 50 und 53 in Positionen gebracht wurden, aus denen Brennstäbe herausgenommen wurden. Dadurch ist ein rekon-15 struiertes Brennstabbündel gemäss Fig. 4 hergestellt worden. Beim Zusammensetzen des Brennstabbündels nach Fig. 4 sind zum überwiegenden Teil solche Brennstäbe im Brennstabbündel nach Fig. 3 ersetzt worden, die unmittelbar an breiten Wasserspalten 15b liegen und wo die Anreicherung an spaltbarem Ma-20 terial am niedrigsten ist. Der Austausch hat zur Folge, dass der Durchschnittsgehalt an spaltbarem Material von 1,51% für U 235 und 0,44% für Pu 239 und 241 zusammen in den Brennstäben nach Fig. 3 auf 1,61% für U 235 und auf 0,44% für Pu 239 und Pu 241 zusammen erhöht wird.

25 Der interne Leistungsformfaktor für das Brennstabbündel nach Fig. 4 beträgt 1,50, wobei auch darauf Rücksicht genommen wurde, dass die Anzahl Energie erzeugender Stäbe weniger wird. Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff beträgt 2,25. Die Brennstabbündel gemäss Fig. 4 können wenigstens 10% 30 mehr Energie erzeugen als ein nicht rekonstruiertes Brennstabbündel gemäss Fig. 3, was eine entsprechende Senkung der Brennstoffkosten für den Reaktor zur Folge hat.

Ein oder mehrere Wasserrohre oder Brennstäbe im Brennstabbündel gemäss Fig. 4 kann/können durch einen Stab bzw. 35 Stäbe ersetzt werden, die einen brennbaren Neutronenabsorber, z.B. Gadolinium, verteilt in Urandioxid oder Zirkaloy, als Trägermaterial enthalten.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (2)

654 948 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Austauschen von Brennstoff in einem leichtwassermoderierten Siedewasserreaktor, für den Urandioxid oder Urandioxid und Plutoniumdioxid als Brennstoff verwendet wird und der einen Kern mit einer Anzahl von Brennstabbündeln (10) enthält, von denen jedes aus mehreren Brennstäben (11) zusammengsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor bei der Inbetriebnahme mit einem Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff von höchstens 1,85 ausgerüstet wird, dass nach dem Betrieb des Reaktors bis zu einem Durchschnittsgehalt an spaltbarem Material in Form von U 235, Pu 239 und Pu 241 von nicht niedriger als 1,80% des Anfangsgewichtes an Uran oder Uran und Plutonium eine Anzahl von Brennstäben (31, 34, 38, 42, 45, 48, 51, 54, 55) mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material in wenigstens einem Brennstabbündel durch Brennstäbe (32, 35, 36, 39, 40, 42, 43, 45, 46, 49, 52) des Reaktors mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material ersetzt wird und dass eine Anzahl von Brennstäben (32, 36, 40, 43, 46, 49, 52) in dem selben Brennstabbündel durch wassergefüllte Rohre (33, 37, 41, 44, 47, 50, 53) ersetzt wird oder deren Positionen frei gelassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstäbe (31, 34, 38, 42, 45, 48, 51, 54, 55) mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material durch Brennstäbe (32, 35, 36, 39, 40, 42, 43, 45, 46, 49, 52) mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material aus demselben Brennstabbündel ersetzt werden.