DE1948821A1 - Nuclear reactor with reactivity control - and power distbtn cont by burnable reactor - Google Patents

Abstract

Reactor core initially has excess reactivity so that a specified reactor power level is obtainable over a given period. At least one fuel rod of a bundle contains reactor poison for the purpose of controlling the excess reactivity. Poison density and disposition is selected so that the poison is self-shielding, with its control effect falling proportion to the reactivity fall in the core, so that it is consumed by the end of the operating period. Fuel in the immediate vicinity of the poison has a larger fission cross-section than that of similar fuel further from the poison.

Description

Kernraukter mit einer Regelung der Reaktivität und Leistungsverteilung über abbrennbare Reaktorgifte.Kernraukter with a regulation of the reactivity and power distribution about burnable reactor poisons.

(Zusatannmeldung zur deutschen Patentanmeldung P 19 09 109.9) Es ist allgemien hekant, daß bei der Kernspaltung große Energiemengen frei werden. Wenn ein spalbbares Isotop wie U-235 ein Neutron einfängt, zerfällt der Kern des isotops. Dabeientstehen im Mittel zwei Spal@produkte mit geringerem Atomgewicht, jedoch hoher kinetischer Energie, sowie mehrere hochenergetische Neutronen.(Additional notification to German patent application P 19 09 109.9) It is It is generally unreasonable that large amounts of energy are released during nuclear fission. if a fissile isotope like U-235 captures a neutron, the core of the isotope decays. On average, two Spal @ products are created with a lower atomic weight, but a higher one kinetic energy, as well as several high-energy neutrons.

Die kinetische energie der Spaltprodukte wird im Kernbrennstoff sehr rasch in Wärme umgesetzt, Diese Wärme kann durch ein Kühlmittel abgoführt werden, das mit dem Kernbrennstoff im Wärmeaustausen steht, und anschlleßend kann man die vum Kühlmittel aufgenommene Wärme in Nutzarbeit nmsetzen.The kinetic energy of the fission products becomes very large in the nuclear fuel quickly converted into heat, this heat can be dissipated by a coolant, that is in heat exchange with the nuclear fuel, and then you can Convert heat absorbed by the coolant into useful work.

Wenn ein kernreakter mit einer konstanten Leistungsabgahe, also in einem Gleichgewichtszustand betrieben werden soll, muß die Besetzungsdiehte leajehigest Neutrtonen konstant biciben, die Spaltungen auslösen, Dei jeder Kernspaltung muß also 1 Neutron äbrig bleiben, das eine nachfolgende Spaltung auslöst, so daß eine Kettenreaktion zu Stande kommt, die sich selbst unterhält. Damit in einem nuklearen System der Gleichgewichtszustand erhalten bleibt, muß der effektive neutronenmeultiplikationsfaktor keff gleich 1 sein, und dann sagt man, "das System sei gerade kritisch". Der Neutronerunul@iplikationsfaktor k eff ist definiert als das Verhältnis der Neutronenbesetzungsdichte zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Neutronenbesetzungdichte zu einem Zeitpunkt, der um eine Neutronenlebensdauer früher liegt.If a nuclear reactor with a constant power output, i.e. in is to be operated in a state of equilibrium, the occupation must leajehigest Constantly bicibing neutrons that trigger fission, which every nuclear fission must So 1 neutron remains, which triggers a subsequent fission, so that a Chain reaction comes into being that is self-sustaining. In order to In a nuclear system the state of equilibrium must be maintained, the effective one must neutron multiplication factor keff equal to 1, and then we say, "the system is currently critical ". The neutron runout factor k eff is defined as the ratio of the neutron population density at a certain point in time to the neutron population density at a point in time which is one neutron lifetime earlier.

(Der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor keff ist der Neutronenreproduktionsfaktor, wenn man den Kernreaktor als Ganzes betrachtet. Dieser effektive Neutronenmultiplikationsfaktor muP) von dem örtlichen oder infintbesimalen Neutronenmultiplikationsfaktor LcX unterschieden werden der die Neutronenreproduktion in einem unendlich großen System definiert, das die gleiche Zusammensetzung und die gleichen Eigenschaften wie die eng begrenzte, gerade interessierende Stelle im Reaktorkern aufweist) Die Nennleistung.eines Kernreaktors hängt von der Größe des T.teaktorkcrns und von der Leistungsfähigkeit des Kühlsystems ab. Praktisch ist nun die Leistungsdichte in einem Kernreaktor häufig durch die unzureichenden thermischen Eingenschaften der verwendeten Materialien beschränkt, Wenn nun die Kettenreaktion im Kernreaktor aufrecht erhalten wird, verarmt der Kernbrennstoff Dieses bedeutet, daß die Anzahl der spaltbaren Kerne abnimmt;, Zusätzlich sind einige der entstehenden Spaltprodukte Neutronenabsorber oder Reaktorgifte. Wenn man also mit einem Kernreaktor über eine vernünftige Zeitspanne hinweg Energie erzeugen will, muß man dafür sorgen, daß zu Beginn.(The effective neutron multiplication factor keff is the neutron reproduction factor, if you look at the nuclear reactor as a whole. This effective neutron multiplication factor muP) from the local or infinite neutron multiplication factor LcX the neutron reproduction is defined in an infinitely large system, that has the same composition and the same properties as the narrowly limited one, point of interest in the reactor core) The nominal power of a nuclear reactor depends on the size of the reactor core and the efficiency of the cooling system away. In practice, the power density in a nuclear reactor is often due to the insufficient thermal properties of the materials used, If the chain reaction is maintained in the nuclear reactor, the nuclear fuel becomes depleted This means that the number of fissile nuclei decreases ;, In addition, there are some the resulting fission products are neutron absorbers or reactor poisons. So if you can wants to generate energy with a nuclear reactor over a reasonable period of time, you have to make sure that at the beginning.

ein gewisser überschuß an Branstoff vorhanden ist, der auf eine anfängliche Überschußreaktivität führt. Diese Überschußreaktivitätkan als derjenige- Bebrag definiert werden, urr. den der Mult;iplikationsfaktor des ungeregelten Reaktors den Betrag von 1 überstigt; Diese, durch den Überschuß an Kernbrennstoff verursachte über schußreaktivität erfordert ein Regel- oder Steuersystem von einer Regestärke, die ausreicht, um während des Reaktorbetriebes den effektiven Multiplikationsfaktor auf i zu halten und um diesen Faktor auf einen Wert unter Ilill abzusenken, wenn der Reaktor stillgelegt werden muß. Üblicherweise enthält das Steuer- oder Regelsystem Neutronenabsorber oder Reaktorgifte, mit denen die Neutronenbesetzungsdichte im Reaktor gesteuert oder geregelt werden kann, und somit ist auch eine Steuerung oder Regelung der Reaktivität des Reaktors möglich. Dieses beruht auf dem Neutroneneinfang durch Vorgänge, die nicht zu Kernspaltungen führen.there is a certain surplus of fuel, which is an initial one Excess reactivity leads. This excess reactivity can be considered the amount be defined, urr. the multiplication factor of the unregulated reactor exceeded the amount of 1; This, due to the excess of nuclear fuel caused excess reactivity requires a regulation or control system of one Regenerative strength that is sufficient to achieve the effective multiplication factor during reactor operation to hold on i and to reduce this factor to a value below Ilill, if the reactor must be shut down. Usually contains the control or regulation system Neutron absorbers or reactor poisons with which the neutron population density in the Reactor can be controlled or regulated, and thus is also a controller or Control of the reactivity of the reactor is possible. This is based on neutron capture by processes that do not lead to nuclear fission.

Die Stoffe zum Steuern oder Regeln eines Reaktors können in verschiedenen Formen verwendet werden. Es ist üblich, das Steuer-oder Regel System mechanisch auszuführen und mit einer Anzahl von Steuer- oder Regelstäben auszurüsten, die einzeln in den Kernreaktor eingefahren oder herausgezogen werden können, zum einmal den Leistungspegel des Reaktors und die Leistungsverteilung im Reaktor zu steuern oder zu regeln und um zum anderen den Reaktor abschalten zu können. Zusätzlich ist bereits vorgeschlagen worden, zur Steuerung der Überschußreakt,ivität eines Kernreaktors abbrennbare Reaktorgifte der verschiedensten Art und in den verschiedensten Formen zu verwenden. Ein abbrennbares Reaktorgift ist ein Neutronenabsorber, dessen Regel stärke (das heißt in diesem Falle: dessen Wirkungsquerschnitt) in Abhängigkeit mit der Zeit abnimmt, wenn er der Bestrahlung durch einen Neutronenfluß ausgesetzt ist, Durch die Verwendung von abbrennbaren Re akt orgiften kann der Umfang der mechanischen Regelung eines Reaktors auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, und es ist schon seit langer Zeit erkannt worden, daß abbrennbare Reaktorgifte die Möglichkeit eröffnen könnten, die Überschußreaktivität automatisch zu steuern oder zu regeln, sofern die Abnahme der Überschußreaktivität während der Leistungserzeugung in einem Reaktor mit der Abnahme der Regelstärke der abbrennbaren Reaktorgifte in Einklang gebracht werden kann. Außerdem kann durch eine passende Verteilung der Reaktorgifte im Reaktorkern die Leistungsverteilung innerhalb des Kerns verbessert werden.The substances for controlling or regulating a reactor can be in different Shapes are used. It is common for the control system to be mechanical execute and equip with a number of control or regulating rods, which individually can be retracted or pulled out of the nuclear reactor for once To control the power level of the reactor and the power distribution in the reactor or to regulate and on the other hand to be able to shut down the reactor. In addition, is already has been proposed to control the excess reactivity of a nuclear reactor burnable reactor poisons of the most varied types and in the most varied of forms to use. A burnable reactor poison is a neutron absorber, its rule strength (i.e. in this case: its effective cross-section) as a function of decreases in time when exposed to radiation from a neutron flux, The use of burnable Re akt orgifts can reduce the scope of the mechanical Regulation of a reactor can be minimized, and it is already It has long been recognized that burnable reactor poisons open up the possibility could automatically control or regulate the excess reactivity, provided the decrease in excess reactivity during power generation in a reactor brought into line with the decrease in the regular strength of burnable reactor poisons can be. In addition, a suitable distribution of the Reactor poisons the power distribution within the core can be improved in the reactor core.

Die Verwendung abbrennbarer Reaktorgifte ist in der bisher bekannten Literatur bereits erörtert worden. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf den Aufsatz von A. Radkowsky verwiesen, der unter dem Titel "Theory-and Application of Burnable Poisonstt in der öffentlichen Druckschrift 11Proceedings of the Second United Nations International Conference on Peacefull Uses of Atomic Energyr?, Band 13, Seiten 426 bis 445, Verlag Vereinte Nationen, Genf, 1958, erschienen ist.The use of burnable reactor poisons is previously known Literature has already been discussed. In this context, see for example the article by A. Radkowsky, entitled "Theory-and Application of Burnable Poisonstt in public pamphlet 11 Proceedings of the Second United Nations International Conference on Peacefull Uses of Atomic Energyr ?, Volume 13, pages 426 to 445, United Nations Publishing House, Geneva, 1958.

Bei einem bekannten Kernreaktor ist der Reaktorkern heterogen aufgebaut. Dieses bedeutet, daß der Kernbrennstoff in Hülsen eingefüllt ist und lange Stäbe bildet, und daß diese Brennstoffstäbe in vorgegebenen Abständen voneinander in Kästen angeordnet sind, durch die Kühlmittel hindurchströmen kann. Diese Kästen mit den Brennstoffstäben werden Brennstoffbündel genannt. Der Reaktorkern ist nun aus einer ausreichenden Anzahl solcher Brennstoffbündel aufgebaut, die in einem bestimmten geometrischen Schema angeordnet sind, so daß eine Spaltungskette ablaufen' kann, bei der die Nennleistung des Reaktors frei werden kann.In a known nuclear reactor, the reactor core has a heterogeneous structure. This means that the nuclear fuel is filled in pods and long rods forms, and that these fuel rods at predetermined distances from each other in boxes are arranged through which the coolant can flow. These boxes with the Fuel rods are called fuel bundles. The reactor core is now made of one sufficient number of such fuel bundles built up in a given geometrical scheme are arranged so that a chain of cleavage can take place, at which the nominal power of the reactor can be released.

Ganz allgemein wird ein Leistungsreaktor zyklisch betrieben. Das bedeutet, daß der Reaktor periodisch abgeschaltet wird, um Brennstoff nachzufüllen beziehungsweise um die ursprüngliche Reaktivität des Reaktors wieder herzustellen. Während der Betriebsperioden ändert sich die Zusammensetzung des Kernbrennstoffes kontinuierlich, und obwohl die gesamte oder die effektive Reaktivität konstant gehalten wird, ändert sich während einer solchen Betriebsperiode die örtliche Reaktivität sehr erheblich, da die Reaktivitätsabnahme auf Grund des Brennstoffabbrandes über den gesamten Reaktorkern ausgeglichen werden muß. Diese Änderungen der örtlichen Reaktivität führen auf Änderungen in der Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkerns, da die Reaktivität in den verschiedenen Reaktorgebieten den Neutronenfluß innerhalb dieser Gebiete bestimmt und da die Leistungserzeugungsdichte innerhalb eines bestimmten Reaktorgebietes dem Produkt aus dem Neutronenfluß in diesem Gebiet und der Konzentration des spaltbaren Materials in diesem Gebiet proportional ist.In general, a power reactor is operated cyclically. That means, that the reactor is shut down periodically to refill fuel or to restore the reactor to its original reactivity. During the operating periods the composition of the nuclear fuel changes continuously, and though the total or the effective reactivity is kept constant changes while such an operating period, the local reactivity is very considerable, since the reactivity decrease be compensated for over the entire reactor core due to the fuel burn-up got to. These changes in the local reactivity lead to changes in the power distribution inside the reactor core, as the reactivity in the different reactor areas the neutron flux within it Areas determined and there the power generation density within a certain reactor area the product of the neutron flux in proportional to this area and the concentration of fissile material in this area is.

Die Leistung, die in einem Kernreaktor erzeugt werden kann, ist ganz allgemein durch die Temperaturgrenzen der Materialien begrenzt, die im Reaktorkern an der Stelle der höchsten Leistungsdichte yerwendet sind. Wenn die Leistungsdichte innerhalb des Kernes ungleichförmig ist, arbeitet nur das Gebiet mit der höchsten zulässigen Leistungsdichte mit dem ausgelegten Nennwert, so daßdie über den ganzen Reaktor gemittelte Leistung-kleiner als die theoretisch erzielbare Leistung ist. Praktisch bedeutet eine.The power that can be produced in a nuclear reactor is whole generally limited by the temperature limits of the materials that are in the reactor core are used at the point of highest power density. When the power density is non-uniform within the core, only the area with the highest works permissible power density with the designed nominal value, so that the over the whole Reactor average power-less than the theoretically achievable power. Practically means one.

solche ungleichförmige Leistungsverteilung, daß der Reaktorkern größer und teuerer sein muß, und daß für eine vorgegebene Nennleistung der Reaktor zu Beginn mit mehr Brennstoff beschickt werden muß. Um nun die Kosten für die Anlage und für die Brennstofferstausstattung möglichst klein zu halten, sollte daher der Faktor, der die Spitzenleistungsdichte beschreibt, - (und der als das Verhältnis der maximalen Leistungserzeugungsdichte zur mittleren Leistungserzeugungsdichte definiert ist) - während einer Betriebsperiode so klein wie möglich sein.such uneven power distribution that the reactor core is larger and must be more expensive, and that for a given nominal power the reactor at the beginning must be charged with more fuel. Now to the costs for the plant and for Keeping the initial fuel equipment as small as possible should therefore include the factor which describes the peak power density - (and which as the ratio of the maximum Power generation density is defined for the mean power generation density) - be as small as possible during an operating period.

Wenn man sich für das Ende einer Betriebsperiode bestimmte Bedingungen vorgibt, hat sich herausgestellt, daß der Faktor, der die Spitzenleistungsdichte beschreibt, dann ein Minimum ist, wenn die Leistungsverteilung während der gesamten Betriebsperiode möglichst stationär ist.If you have certain conditions for the end of an operating period pretends, it has been found that the factor affecting the peak power density describes then a minimum is when the power distribution throughout Operating period is as stationary as possible.

Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, eine zulässige Leistungs- und die damit verbundene Reaktivitätsverteilung während einer Betriebsperiode zu bestimmen, und zwar dadurch, daß die örtliche überschußreaktivität bestimmt wird. Hierzu werden abbrennbare Reaktorgifte in einer Menge, Dichte und in einer räumlichen Anordnung verwendet, die während einer Reaktorbetriebsperiode die Änderungen der örtlichen Überschußreaktivität praktisch völlig ausgleichen.The aim of the invention is now to provide a permissible power and the associated reactivity distribution during an operating period determine, namely that the local excess reactivity is determined. For this purpose, burnable reactor poisons are used in a quantity, density and in a spatial Arrangement used, which during a reactor operating period, the changes in Practically completely compensate for local excess reactivity.

Kernbrennstoff-enthält gewöhnlich neben spaltbaren Isotopen auch brütbares Material wie beispielsweise U-238. So besteht ein gewöhnlich verwendeter Kernbrennstoff aus Urandioxyd, dessen Gehalt an spaltbarem U-235 etwa 2 beträgt, während das restliche Uran das brütbare U-238 ist. Während der Betriebsdauer eines Reaktors wird nun das U-235 allmählich verbraucht, während das U-238 durch Neutroneneinfang teilweise in spaltbares Plutonium Pu-239 umgewandelt wird. Da sich die Atome von Plutonium 239 durch den Einfang thermischer Neutronen spalten, nimmt das Pu-239 an der Kettenreaktion im Reaktor teil. Mit der Betriebsdauer des Reaktors nimmt daher die Konzentration von Pu-239 zu und nähert sich einem Gleichgewichtswert. Abgebrannter Kernbrennstoff, der aus einem Reaktor entnommen wird, enthält also nicht nur noch verwertbare Menge des ursprünglichèn spaltbaren Materials, sondern zusätzlich auch noch verwertbare Menge von spaltbarem Plutonium (Pu-239 und Pu-241) sowie noch von dem brütbaren Plutonium 240. Der Kernbrennstoff kann daher aufgearbeitet werden, um das ausnutzbare Uran und die verschiedenen Plutoniumisotope wiederzugewinnen. Wenn die Kosten des wiedergewonnenen Plutoniums mit den Kosten des Urans vergleichbar werden, erscheint es sinnvoll, Plutonium als Kernbrennstoff für Kernreaktoren zu verwenden Wenn man Plutonium als Kernbrennstoff in einem Reaktor verwenden will, der ursprünglich für die Verwendung von Uran ausgelegt worden ist, muß man berücksichtigen, daß sich Plutonium als Kernbrennstoff anders als Uran verhält, da sich die kernphysikalischen Eigenschaften von Uran und von Plutonium in vielem unterscheiden. So sind beispielsweise der Einfangquerschnitt für thermische Neutronen und der Spaltungsquerschnitt von Plutonium 239 und von Plutonium 241 größer als die entsprechenden Wirkungsquerschnitte des spaltbaren Uranisotops U-235.Nuclear fuel-usually contains not only fissile isotopes but also breeding isotopes Material such as U-238. Such is a commonly used nuclear fuel from uranium dioxide, the content of fissile U-235 is about 2, while the rest Uranium is the fertile U-238. During the operating life of a reactor, the U-235 is gradually consumed, while the U-238 is partly due to neutron capture is converted into fissile plutonium Pu-239. Since the atoms of plutonium To split 239 by capturing thermal neutrons, the Pu-239 takes part in the chain reaction part in the reactor. The concentration therefore increases with the operating time of the reactor from Pu-239 to and approaches an equilibrium value. Spent nuclear fuel that is taken from a reactor does not only contain usable quantities of the original fissile material, but also usable Amount of fissile plutonium (Pu-239 and Pu-241) as well as of the breeding one Plutonium 240. The nuclear fuel can therefore be processed to make it usable Recover uranium and the various isotopes of plutonium. When the cost of the recovered plutonium to be comparable to the cost of uranium appears it makes sense to use plutonium as a nuclear fuel for nuclear reactors when one Plutonium plans to use as nuclear fuel in a reactor originally designed for The use of uranium has been interpreted, one must take into account that As a nuclear fuel, plutonium behaves differently than uranium, as it is in terms of nuclear physics The properties of uranium and plutonium differ in many ways. So are for example the capture cross-section for thermal neutrons and the fission cross-section of Plutonium 239 and of plutonium 241 larger than the corresponding cross sections of the fissile uranium isotope U-235.

Die Erfindung befaßt sich daher weiterhin mit der Aufgabe, Plutonium in Kernreaktoren zu verwenden.The invention is therefore further concerned with the task of plutonium to be used in nuclear reactors.

Wenn man abbrennbare Reaktorgifte verwendet und dafür sorgt, daß sich diese Gifte in hohem Maße selber abschirmen, müssen die Reaktorgifte in einer solchen Dichte verwendet werden, daß die ursprüngliche örtliche Leistungsdichte in denjenigen Brennstoffstäben herabgesetzt wird, die die Reaktorgifte enthalten, da die Gifte nicht nur sich selbst, sondern auch den Brennstoff abschirmen und an der Neutronenbilanz teilnehmen. Mit fortschreitendem Abbrand verbrauchen sich die Reaktorgifte, und daher steigt die örtliche Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit den Reaktorgiften an. Die abbrennbaren Reaktorgifte verzerren daher die örtliche Leistungsverteilung. Diese Verzerrungen können nun, wie man gefunden hat, merklich herabgesetzt werden, wenn man die Reaktorgifte mit einem Kernbrennstoff wie Plutonium mischt, dessen thermischer Spaltungsquerschnitt größer als der thermische Spaltungsquerschnitt von Uran ist.If you use burnable reactor poisons and make sure that The reactor poisons must shield these poisons themselves to a large extent in such a way Density used that the original local power density in those Fuel rods, which contain the reactor poisons, are depleted as the poisons not only shield yourself, but also the fuel and the neutron balance take part. As the burn-up progresses, the reactor poisons, and, are used up therefore, the local power density increases in the fuel rods with the reactor poisons at. The burnable reactor poisons therefore distort the local power distribution. It has been found that these distortions can now be reduced noticeably, if you mix the reactor poisons with a nuclear fuel like plutonium, its thermal cleavage cross-section larger than the thermal cleavage cross-section of uranium is.

Somit befaßt sich die Erfindung auch mit der Aufgabe, in einem Kernreaktor Plutonium zusammen mit abbrennbaren Reaktorgiften zu verwenden.Thus, the invention is also concerned with the task in a nuclear reactor To use plutonium with combustible reactor poisons.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktorkern in Zonen unterteilt worden, so daß die iedeale Verteilung der Reaktorgifte durch Stufenfunktionen approximiert werden kann.In the illustrated embodiment of the invention, the reactor core is been divided into zones, so that the iedeal distribution of the reactor poisons through Step functions can be approximated.

Die geringste Dich-te der abbrennbaren Reaktorgifte ist so gewählt, daß eine Selbstabschirmung zu Stande kommt. Die abbrennbaren Reaktorgifte sind geometrisch derart angeordnet, daß die abbrennbaren Reaktorgifte mit dem Abbrand im Reaktor verarmen, Die Oberfläche der Realctorgifte und damit die Reaktivität, die von den Reaktorgiften geregelt wird, nimmt auf solche Weise ab, daß sie mit der Abnahme der Reaktivität auf Grund des Brennstoffabbrandes übereinstirnirt. Die anfängliche Anzahl der Atome, die als Reaktorgifte wirken, wird in jeder Zone derart gewählt, daß die anfängliche Überschußreaktivität in der jeweils interessierenden Zone kompensiert wird, die an dieser Stelle von dem Reaktorgift geregelt wird. Weiterhin ist die anfängliche Anzahl der Atome, die als Reaktorgift wirken, so gewählt, daß das Reaktorgift durch die in dieser Zone auftretende Strahlungsdosis, die während einer Betriebsperiode zu erwarten ist, praktisch vollständig aufgebraucht wird. In der dargestellten Ausführungsform wird nun Plutonium in Verbindung mit abbrennbaren Reaktorgiften verwendet, um die Leistungsverteilung, im Reaktor zu egalisieren, den Regelbereich zu erhöhen und um Plutonium im Reaktor besser ausnutzen zu können.The lowest density of the combustible reactor poisons is chosen so that self-shielding comes about. The burnable reactor poisons are geometrical arranged in such a way that the burnable reactor poisons with the burnup in the reactor impoverish, the surface of the realctor poisons and thus the reactivity that is produced by the Reactor poisons is regulated, decreases in such a way that it increases with the decrease the reactivity due to the fuel burn-up. The initial one The number of atoms that act as reactor poisons is chosen in each zone in such a way that that compensates for the initial excess reactivity in the particular zone of interest which is regulated at this point by the reactor poison. Furthermore, the initial number of atoms that act as reactor poison, chosen so that the reactor poison through the radiation dose occurring in this zone, which during one operating period is to be expected, is practically completely used up. In the illustrated embodiment, plutonium is now used in conjunction with burnable Reactor poisons used to equalize the power distribution in the reactor to increase the control range and to be able to better utilize plutonium in the reactor.

Im folgenden soll nun die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.In the following the invention in connection with the drawings will be described in detail.

Figur 1 zeigt schematisch eine Kernkraftanlage.Figure 1 shows schematically a nuclear power plant.

Figur 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Reaktorkern.FIG. 2 schematically shows a plan view of a reactor core.

Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffbündels.Figure 3 is a schematic side view of a fuel bundle.

Figur 4A zeigt eine typische axiale Leistungsverteilung im stationären Zustand.Figure 4A shows a typical axial power distribution in the stationary State.

Figur 4B zeigt eine Reaktivitätsverteilung, die bei einer Leistungsverteilung nach Figur 4A auftritt., Figur 5A zeigt eine typische radiale Leistungsverteilung im stationären Zustand.FIG. 4B shows a reactivity distribution that results from a power distribution occurs according to Figure 4A., Figure 5A shows a typical radial power distribution in the steady state.

Figur 5B zeigt eine Reaktivitätsverteilung, die bei einer Leistungsverteilung nach Figur 5A auftreten kann.FIG. 5B shows a reactivity distribution that results from a power distribution can occur according to Figure 5A.

Figur 6 zeigt die Anderung der Reaktivität mit dem Abbrand.FIG. 6 shows the change in reactivity with the burnup.

Figur 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Reaktivitätsregelung und dem Abbrand für Änderungen in der Dichte und dem anfänglichen Radius der sich selbst anschirmenden Zylinder aus abbrennbaren Reaktorgiften.Figure 7 shows the relationship between the reactivity control and the burnup for changes in density and the initial radius of itself shielding cylinder made of combustible reactor poisons.

Figur 8A zeigt die Neutronenflußverteilung für die Leistungsverteilung nach Figur 5A Figur 8B zeigt die Neutronenflußverteilung für die Leistungsverteilung nach Figur 5B.Figure 8A shows the neutron flux distribution for the power distribution according to Figure 5A Figure 8B shows the neutron flux distribution for the power distribution according to Figure 5B.

Figur 9 zeigt eine Reaktivitätsverteilung, die aus der Figur 5B abgeleitet ist, die von den, abbrennbaren Reaktorgiften zu regeln ist.FIG. 9 shows a reactivity distribution derived from FIG. 5B which is to be regulated by the combustible reactor poisons.

Figur 10 zeigt den Korrekturfaktor für die Neutronenst;romdichte als Funktion des Radius der Reaktorgifte.FIG. 10 shows the correction factor for the neutron current density as Function of the radius of the reactor poisons.

Figuren tiA und iB zeigen, wie der Reaktorkern in Zonen eingeteilt wird.Figures tiA and iB show how the reactor core is divided into zones will.

Figuren 12A und 12B zeigen ein Beispiel für die Verteilung der Reaktorgifte in den Dremist;offstäben eines Brennstoffbündels, das in der Mitte eines Reaktorkernes verwendet werden soll.Figures 12A and 12B show an example of the distribution of the reactor poisons in the dremist; off rods of a fuel bundle in the middle of a reactor core should be used.

Figuren 13A und 130 zeigen ein Beispiel für die Verteilung der Reaktorgifte in den Brennatoffatäben eines BrennstoffbUndels, das am Rand eines Reaktorkerns verwendet werden soll.Figures 13A and 130 show an example of the distribution of the reactor poisons in the fuel rods of a fuel bundle on the edge of a reactor core should be used.

Figur 14 zeigt einen Brennstoffstab.Figure 14 shows a fuel rod.

Figur 15 zeigt die Energieabhängigkeit der Neutronenwirkungsquerschnitte von Uran- und Plutoniumbrennstoff sowie für Gadoliniumfür thermische neutronenenergien Figur 16 zeigt eine ringförmige Brennstoffpiile, die' Reaktorgift enthält.FIG. 15 shows the energy dependency of the neutron cross-sections of uranium and plutonium fuel as well as for gadolinium for thermal neutron energies Figure 16 shows an annular fuel pile containing reactor poison.

Figur 17 zeigt, wie sich die Regelstärke rblgförmiger Pillen, die Reaktorgifte enthalten, im Vergleich zu massiven, zylindrischen Pillen mit dem Abbrand ändert, die ebenfalls Reaktorgifte enthalten.FIG. 17 shows how the regular strength of ring-shaped pills that Reactor poisons contain, compared to massive, cylindrical pills as they burn up changes, which also contain reactor poisons.

Die erfindungsgemäße Anordnung von abbrennbaren Reaktorgiften kann in versohi-edener-l Reaktortypen verwendet werden. Beschrieben erden soll diese Anordnung an Hand eines Siedewasserreaktors, wie erschematisch in der Figur 1 dargetellt ist. Ein -sölcher Siedewasserreaktor weist einen Druckbehälter 10 auf, in dem ein Reaktorkern 11 enthalten ist. Der Reaktorkern 11 ist in ein Kühlmittel wie beispielsweise lelchte-s Wasser eingetaucht. Der Reaktorkern ii weist eine Anzahl von Brennstoff@ündeln auf, Hierin einem gewissen Abstand vonein-ander -angeordnet, sind. Jedes Brennstoffbündei b-esteht aus einer bestimmten Anzahl von Brennstoffstäben, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander in einem~ Kasten angeordnet sind. In die Zwischenräume zwischen den einzelnen BrennstoffbUndeln können kreuzförmlge- Steuerstäbe 12 einz-eln eingefahren beziehungsweise aus diesen Zwischenräumen herausgezogen werden, so daß die ReaKtivität -des Reaktorkerns mechanisch gesteuert werden kann. Die hierfür benötigten antriebsvorrichtungen sind mit 13 bezeichnet worden. Zum- Umwälzen des Kühlmit- -teils durch den Reaktorkern ist eine Pumpe 14 vorgesehen worden.The inventive arrangement of burnable reactor poisons can be used in versohi-edener-l reactor types. This should be described Arrangement using a boiling water reactor, as shown schematically in FIG is. A -sölcher boiling water reactor has a pressure vessel 10 in which a Reactor core 11 is included. The reactor core 11 is in a coolant such as lelchte-s immersed in water. The reactor core ii has a number of fuel cells are arranged here at a certain distance from one another. Every fuel bundle b-consists of a certain number of fuel rods in a given Are arranged in a box at a distance from each other. In the spaces between Cross-shaped control rods 12 can be individually retracted into the individual fuel bundles or be pulled out of these spaces, so that the reactivity -the reactor core can be controlled mechanically. The drive devices required for this have been designated with 13. For circulating the coolant part through the reactor core a pump 14 has been provided.

Das Kühlmittel nimmt die in den Brennstoffstäben erzeugte Wärme auf und wird dab-ei-partiell in Dampf umgewandelt. Dieser Dampf wird zur Leistung von Nutzarbeit ausgenutzt, beispielsweise in einer Turbine 16. Der Abdampf aus der Turbine 16 wird einem Kondensor zugeführt, dort kondensiert und von einer Pumpe 18 wieder als Speisewasser in-den Druckbehälter 10 zurückgepun-.pt.The coolant absorbs the heat generated in the fuel rods and is partially converted into steam. This steam becomes the power of Useful work utilized, for example in a turbine 16. The exhaust steam from the turbine 16 is fed to a condenser, condensed there and again by a pump 18 pumped back into the pressure vessel 10 as feed water.

Die Figur 2 zeigt nun den Reaktofkern 11 von oben. In dem Reaktorkern 11 sind jeweils Vierergruppen von Brennstoffbündeln um einen Jeden Steuerstab 12 herum angeordnet, Eine Seitenansicht eines Brennstoffbündels 20 ist in der Figur 3 dargestellt. Dieses Brennstoffbündel 20 weist einen Kasten 21 von quadratischem Querschnitt auf, in dem zwischen Gitterplatten 23 und 24 eine Anzahl von Brennstoffstäben 22 gehaltert ist.FIG. 2 now shows the reactor core 11 from above. In the reactor core 11 are groups of four fuel bundles around each control rod 12 Arranged around, a side view of a fuel bundle 20 is shown in the figure 3 shown. This fuel bundle 20 has a box 21 of square Cross-section in which between grid plates 23 and 24 a number of fuel rods 22 is supported.

Unten am Kasten 2i ist eine- Nase 26 vorgesehen, die mit öffnungen ausgestattet ist, durch die das Kühlwasser nach oben zwischen den Brennst;offst'äb'en hindurch strömt. Die Brennstoffstäbe 22 können aus einer Hülse aufgebaut sein, in die eine Anzahl von Brennstoffpillen eingefüllt ist. Typische Werte für den Durchmesser der Brennstoffstäbe sind etwa 12,7 mm, und ihre Länge beträgt typischerweise etwa 3,65 m.At the bottom of the box 2i there is a nose 26 with openings is equipped, through which the cooling water up between the fuel; offst'äb'en flows through it. The fuel rods 22 can from a sleeve be constructed in which a number of fuel pills are filled. Typical Values for the diameter of the fuel rods are approximately 12.7 mm, and their length is typically about 3.65 m.

Die Nennleistung eines Kernreaktors ist üblicherweise durch den Umfang der Wärmeabfuhr in demjenigen Gebiet des Reaktorkernes begrenzt, in dem die Leistungsdichte am höchsten ist. Die Leistungsverteilung muß während einer gesamten Betriebsperiode in Betracht gezogen werden, da Änderungen in der Leistungsverteilung durch Brennstoffverarmung, den Aufbau von Spaltprodukten, die Bewegung der Steuerstäbe und durch andere Effekte bedingt sind.The rated power of a nuclear reactor is usually by the scope the heat dissipation is limited in that area of the reactor core in which the power density is highest. The power distribution must be during an entire operating period should be considered because changes in power distribution due to fuel depletion, the build-up of fission products, the movement of the control rods and other effects are conditional.

Vom Wirtschaftlichen her gesehen ist es nun erforderlich, daß die Leistungsverteilung so gesteuert wird, daß die Leistungsdichte in demjenigen Reaktorgebiet, in dem die Leistungsdichte thermisch begrenzt ist, möglichst klein gehalten wird. Es ist daher günstig, wenn der Leistungsspitzenfaktor, (also das Verhältnis von Spitzenleistung zur mittleren Reaktorleistung), während einer Betriebsperiode möglichst klein gehalten wird, um die gesamte Nennleistung des Reaktors möglichst groß zu machen.From an economic point of view, it is now necessary that the Power distribution is controlled so that the power density in that reactor area in which the power density is thermally limited, is kept as small as possible. It is therefore beneficial if the peak power factor (i.e. the ratio of Peak power to average reactor power), if possible during an operating period is kept small in order to maximize the total rated power of the reactor do.

Es wurde bereits erwähnt, daß für irgend welche vorgegebenen Bedingungen für das Ende einer Betriebsperiode der Leistungsspitzenfaktor dan möglichst klein gehalten werden kann, wenn sich die räumliche (oder dreidimensionale) Leistungsverteilung während einer Betriebsperiode nicht ändert. Diese Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode werden von Parametern beherrscht, von denen hier der Brennstoffabbrand, der Umfang der Reaktivitätsregelung, (das übrig bleibende Reaktorgift und/oder die Regel stärke der Steuerstäbe), die im Kern verbleibt sowie die übrig bleibende Überschußreaktivität (falls vorhanden) erwähnt werden sollen.It has already been mentioned that for some given conditions for the end of an operating period, the peak power factor is as small as possible can be held when the spatial (or three-dimensional) power distribution does not change during an operating period. These conditions at the end of an operating period are dominated by parameters, of which here the fuel burn-up, the scope the reactivity regulation, (the remaining reactor poison and / or the rule strength the control rods) that remains in the core as well as the remaining excess reactivity (if any) should be mentioned.

Die-Leistungsverteilung, die unter dem Gesichtspunkt eines möglichst kleinen Leistungsspitzenfaktors während einer Betriebsperiode -optimal i-st, ist daher eine stationäre Leistungsverteilung, die durch die Bedingungen am Ende einer Betriebsperiodetbestimmt ist. Die stationäre Leistungsverteilung kann man durch eine Iteration zwischen der Leistungsverteilung und dem Einfluß des Abbrandes auf den örtlichen Reaktivitätsfaktor ko berechnen, der auf vorgegebenen Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode beruht. Herzu wird zuerst eine Leistungsverteilung vorausgesetzt, und dann wird der örtliche Reaktivitätsfaktor kqo unter der Voraussetzung bestimmter Bedingungen am Ende einer Betriebsperiode bestimmt. die REaktivitätsverteilung kann dann ihrerseits dazu verwendet werden, mit Hilfe der bekannten Diffusionstheorie die Leistungsverteilung am Ende einer Betriebsperiode zu berechnen.The power distribution, from the point of view of a possible small peak power factor during an operating period -optimal i-st, is hence a stationary power distribution that is determined by the conditions at the end of a Operating period determined is. The inpatient distribution of benefits one can iterate between the power distribution and the influence of the Calculate the burn-up on the local reactivity factor ko, which is based on the given Conditions at the end of an operating period. First there is a power distribution assuming, and then the local reactivity factor becomes kqo assuming certain conditions at the end of an operating period. the REactivity distribution can then be used in turn, with the help of the well-known diffusion theory calculate the power distribution at the end of an operating period.

Eine Wiederholung dieser Vorgänge kann dann möglicherweise auf eine Verteilung der Leistung und der Reaktivität' führen, die miteinander verträglich sind, und die so erhaltene konvergierende Lösung führt-aur die Leistungsverteilung5 die erforderlich ist, um den Leistungsspitzenfaktor während einer gesamten Betriebsperiode möglichst klein zu halten.A repetition of these processes can then possibly lead to a Distribution of power and reactivity 'lead compatible with each other are, and the converging solution thus obtained leads to the power distribution5 which is required to maintain the peak power factor during an entire operating period to keep it as small as possible.

In den Figuren 4A bis 5B sind nun Verteilungen-der örtlichen Reaktivität und der Leistung dargestellt, die miteinander verträglich sind. In diesen Figuren bedeuten P die Verteilung der ört-5 lichen LEistung, wie sie angestrebt wird, und ks die Verteilung der örtlichen Reaktivität, die zur Erzeugung der Leistungsverteilung P erforderlich ist. Die Figuren 4A und LIB zeigen typi-5 sche axiale Verteilungen3 beispielsweise entlang eines Brennstoffstabes, während, die Figuren 5A und 5 typische Radialverteilungen darstellen, die in einer Ebene quer zum Reaktorkern gemessen werden können. In den Figuren 4A und 5B ist außerdem die anfängliche Reaktivität ki am Beginn einer Betriebsperiode dargestellt. Am Beginn iner Betriebsperiode beträgt somit die Überschußreaktivität, die geregelt werden Ü, k. - k Die örtliche Reaktivität 1 5 nimmt nun mit der Strahlungsdosis ab, wenn der Brennstoff verbraucht wird. Um nun eine stationäre Reaktivitätsverteilung k5 (und somit eine stationäre Leistungsverteilung P5) aufrecht zu erhalten, muß der Umfang der Reaktivitätsregelung oder die örtliche Steuerstärke so groß sein, daß die örtliche ÜberschuRreaktivität ausgeglichen wird, und diese Steuerstärke muß genau so wie die örtliche Reaktivität abnehmen.In FIGS. 4A to 5B there are now distributions of the local reactivity and the performance that are compatible with each other. In these figures P mean the distribution of the local PERFORMANCE as it is aimed for, and ks is the distribution of the local reactivity required to generate the power distribution P is required. FIGS. 4A and LIB show typical axial distributions3 for example along a fuel rod, while FIGS. 5A and 5 are typical Represent radial distributions measured in a plane transverse to the reactor core can be. Also in Figures 4A and 5B is the initial reactivity ki shown at the beginning of an operating period. At the beginning of the operating period thus the excess reactivity, which are regulated Ü, k. - k The local reactivity 1 5 now decreases with the radiation dose as the fuel is used up. Around now a stationary reactivity distribution k5 (and thus a stationary power distribution P5), the scope of the reactivity regulation or the local Tax strength be so great that the local excess reactivity balanced and this tax strength must decrease as well as the local reactivity.

Wenn der Sollwert der stationären Leistungsverteilung P5 räumlich durch den Ausdruck PO Cx> y, z) gegeben ist, wird der Abbrand an irgend einem Punkt (x, y, z) innerhalb des Kernes durch folgenden Ausdruck beschrieben: 1) E (x, y, z, t) = Eo (x, y, z) + Po (x, y, z, t) In diesem Ausdruck bedeuten Eo die Abbrandverteiiung zu Beginn einer Betriebsperiode, PO die Leistungsdichte und "t" die Zeit vom Beginn einer Betriebsperiode an, gemessen in vollen Leistungstagen.If the setpoint of the stationary power distribution P5 is spatially is given by the expression PO Cx> y, z), the burn-up will occur on any one Point (x, y, z) within the kernel described by the following expression: 1) E (x, y, z, t) = Eo (x, y, z) + Po (x, y, z, t) In this expression, Eo mean the Burning distribution at the beginning of an operating period, PO the power density and "t" the time from the beginning of an operating period, measured in full days of performance.

(Wenn der Abbrand in Megawatt-Tagen pro Tonne gemessen wird, dann stellt PO die Leistungsdichte in Megawatt pro Tonne dar, und t ist die Anzahl der Tage, an denen der Reaktor mit der Leistungsdichte PO betrieben worden ist.) Wenn die Geschwindigkeit, mit der die örtliche Reaktivität für eine Einheitsleistungsdichte abnimmt, durch den Ausdruck 4 k/ t (x. y, z, t) gegeben ist, kann die Abnahme der örtlichen Reaktivität mit dem Abbrand während einer Betriebsperiode durch folgenden Ausdruck beschrieben werden: Wenn man annimmt, daß am Ende einer Betriebsperiode der Reaktor gerade noch kritisch ist und daß keine Regelung mehr im Reaktorkern verbleibt, dann ist die örtliche Reaktivität, die zu irgend einem beliebigen Zeitpunkt während einer Betriebsperiode gesteuert oder geregelt werden muß, gleich dem Unterschied zwischen dem Reaktivitätsverlust am Ende einer Betriebsperiode und dem Reaktivitätsverlust an irgend einem beliebigen Zeitpunkt während dieser Periode.(If the burnup is measured in megawatt-days per ton, then PO represents the power density in megawatts per ton, and t is the number of days the reactor has been operated at the power density PO.) If the speed, with which decreases the local reactivity for a unit power density is given by the expression 4 k / t (x, y, z, t), the decrease in local reactivity with the burnup during an operating period can be described by the following expression: Assuming that at the end of an operating period the reactor is just critical and that there is no longer any control remaining in the reactor core, then the local reactivity that must be controlled or regulated at any point during an operating period is equal to the difference between that Loss of reactivity at the end of an operating period and the loss of reactivity at any point in time during this period.

Es gilt daher folgender Ausdruck: -3) #kc (x, y, z, t) = #k1 (x, y, z, tf) - #k1 (x, y, z, t) Hierin bedeuten k die gesamte, zu irgend einem Zeitpunkt vorc handene Reaktivitäsregelung, und zwar unter Berücksichtigung der Steuerstäbe und anderer Reaktorgifte, d kl den Verlust an örtlicher Reaktivität, t die vorgegebene Abbrandzeit und tf die Abbrandzeit am Ende einer Betriebsperiode.The following expression therefore applies: -3) #kc (x, y, z, t) = # k1 (x, y, z, tf) - # k1 (x, y, z, t) Here, k mean the entire, at any point in time Existing reactivity regulation, taking into account the control rods and other reactor poisons, d kl the loss of local reactivity, t the specified Burn time and tf the burn time at the end of an operating period.

Der Ausdruck (3) definiert daher den Zusammenhang zwischen dem gesamten Abbrand und der Regelung der örtlichen Reaktivität, der eingehalten werden muß, um die gewünschte stationäre Leistungsverteilung aufrechtzuerhalten.The expression (3) therefore defines the relationship between the whole Burn-off and the regulation of the local reactivity, which must be complied with, to maintain the desired stationary power distribution.

Der Ausdruck (3) ist nun in der Figur 6 graphisch dargestellt.Expression (3) is now shown graphically in FIG.

In der Figur 6 bedeuten k. die anfängliche örtliche Reaktivität zum Zeitpunkt to-zu Beginn des Abbrandes und kf die örtliche Re"-" aktivität nach der Abbrandzeit tf am Ende einer Betriebsperiode.In FIG. 6, k mean. the initial local reactivity to the Time to-at the beginning of the burn-up and kf the local Re "-" activity after the Burning time tf at the end of an operating period.

Der Reaktivitätsverlust # kl nach der Abbrandzeit t tfX also am Ende einer Betriebsperuiode beträgt ki - kf. Die zu irgend einem Zeitpunkt erforderliche Regelung der örtlichen Reaktivität #kc gleicht somit dem Unterschied zwischen #k1 zum Zeitpunkt tf und zum zum Zeitpunkt t. (In der Figur 6 ist der Unterschied zwischen k@ und E liniear dargestellt. Der Ausdruck (3) gilt aber auch dann, wenn dieser Zusammenhang einen irgend wie anderen Verlauf aufweist). -Um nun erfindungsgemäß während einer Betriebsperiode innerhalb des gesamten Reaktorkerns die gewünschte stationäre Leistungsverteilung aufrecht erhalten zu können, wird a) abbrennbares Reaktorgift auf solche Weise im Kern verteilt, daß sich zu Beginn einer Betriebsperiode die gewünschte Leistungsverteilung einstellt, wird weiterhin b) dafür gesorgt, daß diese Leistungsverteilung während der Betriebsperiode praktisch konstant bleibt, und c) wird das Reaktorgift nur in solchen Mengen verwendet, daß das Gift am Ende einer Betriebsperiode praktisch aufgebraucht ist.The loss of reactivity # kl after the burn-up time t tfX so at the end an operating period is ki - kf. The one required at any point in time Control of the local reactivity #kc is thus the same as the difference between # k1 at time tf and at time t. (In Figure 6, the difference between k @ and E shown linearly. The expression (3) also applies if this Context has any other course). -To now according to the invention the desired one during an operating period within the entire reactor core Being able to maintain stationary power distribution becomes a) combustible Reactor poison distributed in the core in such a way that at the beginning of an operating period sets the desired power distribution, it is also ensured that this power distribution remains practically constant during the operating period, and c) the reactor poison is used only in amounts such that the poison ends up has been practically used up in an operating period.

Diese Ergebnisse werden nun erfindungsgemäß durch eine derartige räumliche Verteilung von Reaktorg,iften erreicht, daß die anfängliche Reaktivitätsregelst ärke mit dem Reaktivitätsverlust vergleichbar ist, den der Brennstoff während einer Betriebsperiode erleidet, und zwar werden die Reaktorgifte in einer solchen Konzentration und Anordnung verwendet, daß sie während des Abbrandes mit einer Geschwindigkeit verbraucht werden, die mit der Geschwindigkeit vergleichbar ist, mit der die Reaktivität des Brennstoffes während einer Betriebsperiode abnimmt, und daß sie durch den Abbrand während einer vollen Betriebsperiode völlig aufgebraucht werden.According to the invention, these results are now achieved by means of such a spatial Distribution of Reaktorg, iften achieved that the initial reactivity control strength is comparable to the loss of reactivity that the fuel has during a Operating period suffers, namely the reactor poisons are in such a concentration and arrangement used that during the burn at a rate be consumed, which is comparable to the rate at which the reactivity of the fuel decreases during an operating period, and that it is due to the burn-up can be used up completely during a full period of operation.

Bei großen Leistungsreaktoren hat man nun gefunden, daß die Abnahme der örtlichen Reaktivität k9) in einem großen Bereich praktisch linear mit dem Abbrand verläuft. (Hiervon ausgenommen ist nur eine kurze Zeitspanne zu Beginn einer Betriebsperiode, bis sich das Gleichgewicht zwischen der Neubildung von Brennstoff aus Brutmaterial und der Bildung von paltprodukten eingestellt hat, die als Reaktorgifte wirken.) Die örtliche Reaktivität kqo nimmt daher mit praktisch konstanter Geschwindigkeit ab.In large power reactors it has now been found that the decrease the local reactivity k9) in a large area practically linear with the burnup runs. (Only a short period of time at the beginning of an operating period is excluded from this, until the equilibrium between the regeneration of fuel from breeding material and has stopped the formation of fission products that act as reactor poisons.) The local reactivity kqo therefore increases at a practically constant rate away.

Wenn man die Geschwindigkeit, mit der die örtliche Reaktivität abnimmt, als Konstante "L" bezeichnet, wobei kot Cx> y, z, t) gleich "L" ist, folgt aus der Beziehung 2) l k1 (x, y, z> t) PoLt und aus der Beziehung 3) 5) kc (x, y, z> t) P0L( tf - t) Die Beziehung 3) definiert daher den Zusammenhang zwischen der Abbranddauer und der örtlichen Reaktivitätsregelstärke, der für eine stationäre Leistungsverteilung aufrecht erhalten werden m", wenn die örtliche Reaktivität linear mit dem Abbrand abnimmt, wenn sie also mit einer konstanten Geschwindigkeit abnimmt, wie es in Figur 6 dargestellt ist. Setzt man diese Bedingungen vcraus, muß a) die Regelstärke linear abnehmen, das heißt die Änderungsgeschwindigkeit der Regel stärke mit dem Abbrand muß eine Konstante sein, die die mit konstanten Geschwindigkeit übereinstimmt, mit der die Reaktivität abnimmt, und b) ist die erforderliche Regelstärke für die örtliche Reaktivität der'örtlichen Leistungsdichte proportional.If one considers the rate at which the local reactivity decreases, referred to as a constant "L", where kot Cx> y, z, t) is equal to "L", it follows from the relation 2) l k1 (x, y, z> t) PoLt and from the relation 3) 5) kc (x, y, z> t) P0L (tf - t) Relationship 3) therefore defines the relationship between the burn-up duration and the local reactivity control strength for a stationary Power distribution can be maintained m "if the local reactivity is linear decreases with the burn, i.e. if it decreases at a constant rate, as shown in FIG. Given these conditions, got to a) the rule strength decrease linearly, i.e. the rate of change of the rule strength with the burn-up must be a constant, that with constant speed with which the reactivity decreases, and b) is the required control strength proportional to the local reactivity of the local power density.

Man hat gefunden, daß man dann eine Abnahme der Regelstärke mit einer praktisch konstanten Geschwindigkeit erhält, wenn man abbrennbares Reaktorgift in Form eines sich selbst abschirmenden Zylinders verwendet. Der Begriff "Selbstabschirmung" soll hier bedeuten, daß der Neutronenabsorptionsquerschnitt - a nd die Dichte der als Reaktorgifte verwendeten Atome so groß sind, daß die einfallenden Neutronen nur in den Außenschichten des Zylinders eingefangen werden, so daß diese Außenschichten des Zylinders das Zylinderinnere gegenüber den-Neutronen abschirmen. Wenn die als Reaktorgift verwendeten Atome Neutronen einfangen, werden sie in Isotope umgewandelt, deren Neutronenabsorptionsquerschnitt klein ist. Wenn also der Abbrand fortschreitet, werden die Außenschichten des Zylinders für Neutronen immer durchlässiger und die näch- -sten, weiter innen liegenden Schichten des Zylinders werden den Neutronen ausgesetzt. Dieser Zylinder aus Reaktorgift wirkt also wie ein Steuerstab, dessen Radius in Abhängigkeit vom Abbrand schrumpft und dessen Regeleinfluß daher immer geringer wird, da die Regelstärke des Zylinders der Größe seiner Oberfläche proportional ist. Dieses geht noch klarer aus folgender Betrachtung hervor: Wenn die Länge des Zylinders aus Reaktorgift gegenüber seinem Durchmesser groß ist und wenn sein Durchmesser so klein ist, daß der Neutronenfluß außerhalb des Zylinders nicht gestör-t wird, ist der Neutronenstrom J an der Oberfläche des Zylinders durch folgenden Ausdruck gegeben: 6) J = /4 Neutronen/cm2 -sec Wenn 9 die Anzahl der Atome pro cem mit hohem Abserptionsquerschnitt bedeutet, dann-ist die Anzahl dieser Atome pro Zyindereinheitslänge h durch folgenden Ausdruck gegeben 7) h-= Sr2 In diesem Ausdruck bedeutet "r" den Radius des noch nicht verbrauchten Reaktorgiftes.It has been found that you can then decrease the strength of the rules with a practically constant speed is obtained if one burns combustible reactor poison in Form of a self-shielding cylinder used. The term "self-shielding" shall mean here that the neutron absorption cross-section - a nd the density of the Atoms used as reactor poisons are so large that the incident neutrons only get trapped in the outer layers of the cylinder, so these outer layers of the cylinder shield the inside of the cylinder from the neutrons. If the as Atoms used in reactor poison capture neutrons, they are converted into isotopes, whose neutron absorption cross section is small. So if the burn continues the outer layers of the cylinder become more and more permeable to neutrons and the The next, further inner layers of the cylinder are the neutrons exposed. This cylinder made of poison acts like a control rod, its The radius shrinks as a function of the burn-off and its control influence therefore always becomes smaller, since the control strength of the cylinder is proportional to the size of its surface is. This becomes even clearer from the following consideration: If the length of the The cylinder of poison is large compared to its diameter and if its diameter is so small that the neutron flux outside the cylinder is not disturbed, is the neutron flux J on the surface of the cylinder by the following expression given: 6) J = / 4 neutrons / cm2 -sec If 9 is the number of atoms Per cem with a high absorption cross-section means then-is the number of these atoms per cylinder unit length h given by the following expression 7) h- = Sr2 In this one Term "r" means the radius of the unused reactor poison.

Wenn man annimmt, daß das Reaktorgift für Neutronen völlig schwarz ist, (wenn also der Neutronenabsorptionsquerschnitt unendlich groß ist, so daß eine Selbstabschirmung zu Stande kommt wie es oben baschrieben wurde), wird das Reaktorgift nur an der Zylinderoberfläche verbraucht, und die Anzahl der als Reaktorgift verwendeten Atome, die.in der Zeit t verbraucht werden, ist praktiseh-gleich der Anzahl der Neutronen, die wAhrend dieser-Zeit auf die Oberfläc-he des Reaktorgiftes auffallen. Es gilt daher 8) dh/dt = -2# r 9 dr/dt = 2-nFrJ Kombiniert man die Ausdrücke 6) und 8), so erhält man dr = ( -/4 y ) dt Wenn man diesen Ausdruck zeitlich von einem Anfangsradius rO aus über r integriert, so erhält man 9) r = rO - # tX45 Hierin bedeutet gi den mittleren Neutronenfluß Während der Zeit t.Assuming that the reactor poison for neutrons is completely black is, (if the neutron absorption cross-section is infinitely large, so that a Self-shielding comes about as it was written above), the reactor becomes poison consumed only on the cylinder surface, and the number of used as reactor poison Atoms that are used up in time t is practically equal to the number of Neutrons that fall on the surface of the reactor poison during this time. It therefore applies 8) dh / dt = -2 # r 9 dr / dt = 2-nFrJ If you combine the expressions 6) and 8), one obtains dr = (- / 4 y) dt If one uses this expression temporally from one Starting radius rO from integrated over r, we get 9) r = rO - # tX45 Herein gi means the mean neutron flux during the time t.

Der Ausdruck 9) zeigt nun, daß der Radius des Zylinders, der das Reaktorgift enthält, linear abnimmt, und zwar-dem Produkt aus -der Zeit und dem Fluß t direkt proportional und der Dichte des Reaktorgiftes umgekehrt proportional. - Das Reaktorgift ist dann vollständig aufgebraucht, wenn der Radius des zylinders null geworden ist, Außerdem ist das Produkt aus Fluß und Zeit @t dem Abbrand E direkt proportional, und zwar ist es gleich C1E, wobei C1 e-ine Funktion'de'r Reaktorkerneigenschaften ist, in die beispielsweise der Anreicherungsgrad des Brennstoffes und der Spaltungsquerschnitt eingehen. Aus dem Ausdruck 9) ergibt sich daher-: 10) # tb = 49 ro = C1 Eb Hierin bedeuten tb die Zeit, die zum vöiligen Aufbrauchen des Reaktorgiftes erforderlich i-st und Eb den gesamten Abbrand, der hierzu benötigt wird, beispielsweise in Megawatt-Tagen pro Tonne.Expression 9) now shows that the radius of the cylinder that poisons the reactor contains, decreases linearly, namely-the product of -time and the flow t directly proportional and inversely proportional to the density of the reactor poison. - That Reactor poison is completely used up when the radius of the cylinder is zero In addition, the product of flow and time @t the burn-up E is direct proportional, namely it is equal to C1E, where C1 is a function of the reactor core properties in which, for example, the degree of enrichment of the fuel and the fission cross-section enter. From the expression 9) it follows therefore-: 10) # tb = 49 ro = C1 Eb Herein tb mean the time required for the reactor poison to be used up completely i-st and Eb the total burn-up that is required for this, for example in megawatt days per ton.

Man sieht also, das das Reaktorgift in einem Abbrandinterval Eb aufgebraucht wird, das dem Produkt aus dem ursprünglichen Zylinderradlus rO des Rcaktörgiftes und der Dichte des Reaktorgiftes proportional ist.So you can see that the reactor poison is used up in a burn-up interval Eb that is the product of the original cylinder gear rO des Rcaktörgiftes and is proportional to the density of the reactor poison.

Nun sol die Regelstärke eines Zylinders aus Reaktorgiften sowie ihre zeitliche Abhängigkeit erörtert werden. Die Rcaktivität, die von--dem abbrennbaren'Gift geregelt wird, also die Größe kp, ist praktisch der Neutronenabsorption durch das Reaktorgift; proportional. Es gilt daher: Hierin bedeuten die Absorption thermischer Neutronen durch das Gift und die gesamte Absorption thermischer Neutronen., Wiederum sei angenommen, daß das Reaktorgift für Neutronen vollständig schwarz ist. Wenn T die Anzahl der Reaktorgift enthaltenden Zylinder pro Einheitsquerschnitt des Reaktorkerns ist, gilt In diesem Ausdruck bedeuten (2r) den Umfang des Zylinders aus ReaktorgiftF J die Neutronenstromdichte, die nach Ausdruck 6) gleich 0/4 ist, den Neutronenfluß und den totalen Neutronenabsorptionsquerschnitt.The control strength of a cylinder made of reactor poisons and their time dependency will now be discussed. The Rcactivity, which is regulated by the burnable poison, that is to say the quantity kp, is practically the neutron absorption by the reactor poison; proportional. The following therefore applies: Mean therein the absorption of thermal neutrons by the poison and the total absorption of thermal neutrons., Again assume that the reactor poison for neutrons is completely black. If T is the number of poison-containing cylinders per unit cross-section of the reactor core, then In this expression, (2r) the circumference of the cylinder made of reactor poison F J denotes the neutron flux density, which is 0/4 according to expression 6), the neutron flux and the total neutron absorption cross section.

In den meisten großen Leistungsreaktoren ist der totale Absorptionsquerschnitt während des Abbrandes hinlänglich konstant und hängt vom Anreicherungsgrad des Brennstoffes sowie von dem Verhältnis ab, in dem Brutmaterial in spaltbares Material umgewandelt wird. Wenn der totale Absorptionsquerschnitt als Konstante betrachtet wird, dann kann der Term als eine Konstante 1/C2 angesetzt werden. Der Ausdruck 11) kann dann folgendermaßen umgeschrieben werden: 12) kp = (1/C2) rT Dem Vorstehenden liegt die Annahme zu Grunde, daß die Zylinder aus Reaktorgift mehrere mittlere freie Weglängen der thermischen Neutronen voneinander entfernt liegen, so daF sie voneinander isoliert betrachtet werden können. Mit dieser Annahme und den weiteren, bereits genannten Annahmen, (daß nämlich das Reaktorgift gegenüber Neutronen vollständig schwarz ist und daR der totale Absorptionsquerschnitt konstant ist), kann man aus dem Ausdruck 12 ablesen, daß der Reaktivitätsumfang, der von dem Reaktorgift geregelt oder gesteuert wird, dem Produkt aus den: Zylinderradius und der Anzahl der Zylinder pro Einheitsquerschnittsfläche des Kernreaktors proportional ist.In most large power reactors, the total absorption cross-section is sufficiently constant during the burn-up and depends on the degree of enrichment of the fuel and the ratio in which the breeding material is converted into fissile material. If the total absorption cross-section is regarded as a constant, then the term can be set as a constant 1 / C2. The expression 11) can then be rewritten as follows: 12) kp = (1 / C2) rT The above is based on the assumption that the cylinders made of poison are several mean free paths of the thermal neutrons apart, so that they are considered isolated from one another can be. With this assumption and the other assumptions already mentioned (namely that the reactor poison is completely black in relation to neutrons and that the total absorption cross section is constant), one can read from expression 12 that the scope of reactivity which is regulated or controlled by the reactor poison , the product of the: cylinder radius and the number of cylinders per unit cross-sectional area of the nuclear reactor is proportional.

Aus den oben bereits angegebenen Ausdrücken 9) und 10) Eeht hervor, daß der Radius r der Zylinder mit dem Reaktorgift linear mit dem Abbrand abnimmt. Aus dem Ausdruck 12) kann man -daher schließen, daß auch die vom Reaktorgift geregelte Reaktivität linear mit dem Abbrand abnimmt.From the above already given expressions 9) and 10) E it follows that that the radius r of the cylinder with the poison decreases linearly with the burnup. From expression 12) one can therefore conclude that also the one regulated by the poisonous reactor Reactivity decreases linearly with the burnup.

Wenn man den Ausdruck 10) in die Fcrm 9 rO : Cl/4Eb bringt und Cl/4 als neue Konstante C3 definiert, erhält man: 13) 94o = C3Eb Schreibt man den Ausdruck i2) in Termen des urspr1nglichen Zylinderradius ro um, so erhält man: 14) Tro = C2kpi Hierin bedeutet kpi die ursprUngliche Reaktivität, die von dem abbrennbaren Reaktorgift geregelt oder gesteuert wird.If one brings the expression 10) into the Fcrm 9 rO: Cl / 4Eb and Cl / 4 defined as the new constant C3, one obtains: 13) 94o = C3Eb Writes if one converts the expression i2) in terms of the original cylinder radius ro, then obtains man: 14) Tro = C2kpi Here, kpi means the original reactivity, that of the combustible reactor poison is regulated or controlled.

Der Zusammenhang zwischen dem ursprUnglichen Zylinderradius rO, der Dichte; des Reaktorgiftes und der änderung der Regel- oder Steuerstärke mit dem Abbrand ist in der Figur 7 graphisch dargestellt worden. Ein sich weitestgehend selbstabschirmendes Reaktorgift in einem Zylinder mit dem Radius r01 und einer Dichte -S 11 fUhrt auf eine anfängliche Regel- oder Steuerstärke kpl, und dieses Reaktorgift nimmt in einem Abbrandintervall Ebl linear mit dem Abbrand ab. Ein Stab mit dem gleiche'n Radius, in dem jedoch die Dichte der Reaktorgifte geringer ist, führt auf die gleiche anfängliche Steuer- oder Regelstärke, nur wird das Reaktorgift in einem kürzeren Abbrandintervall Eb2 aufgebraucht.The relationship between the original cylinder radius rO, the Density; of the reactor poison and the change in the control or control strength with the Burn-off has been shown graphically in FIG. A largely self-shielding reactor poison in a cylinder with radius r01 and density -S 11 leads to an initial control or control strength cpl, and this reactor poison decreases in a burn-up interval Ebl linearly with the burn-up. A stick with that same radius, in which, however, the density of the reactor poisons is lower to the same initial control or regulation strength, only the reactor poison is in a shorter burn-up interval Eb2 is used up.

Ein Stab mit Reaktorgift, dessen Durchmesser geringer ist und r02 beträgt und in dem das Reaktorgift mit der Dichte S 13 vorliegt, führt auf eine anfängliche Regel- oder Steuerstärke, die geringer ist und nur kp2 beträgt. Das Reaktorgift in einem solchen Stab wird aber im gleichen Intervall Ebl verbraucht, sofern die Dichte 9 13 gleich dem Verhältnis rO1/rO2 multipliziert mit der Dichte ç 11 ist.A rod with a reactor poison, the diameter of which is smaller and r02 and in which the reactor poison is present with the density S 13, leads to a initial control strength, which is less and is only kp2. That Reactor poison in such a rod is consumed in the same interval Ebl, provided the density 9 13 equals the ratio rO1 / rO2 multiplied by the density ç is 11.

Aus den vorstehenden AusfGhrungen kann man also entnehmen, daß für ein sich selbst abschirmendes Reaktorgift in zylindrischer Anordnung die Dichte des Reaktorgiftes die Zeit bestimmt, innerhalb derer das Gift verbraucht wird. Die Regelstärke des Reaktorgiftes wird durch die Größe der Zylinderoberfläche bestimmt, (die eine Funktion des Zylinderradius ist). sowie durch die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgiften pro Einheitsquerschnittsfläche des Reaktorkerns. Es können daher der Radius, die Dichte, die Anzahl und die Verteilung der Zylinder mit den Reaktorgiften derart gewählt werden, daß sich eine solche Abnahme der Steuer- oder Regelstärke mit dem Abbrand ergibt, die mit der Abnahme der Überschußreaktivität mit dem Abbrand des Brennstoffes übereinatimmt.From the above it can be seen that for a self-shielding reactor poison in a cylindrical arrangement the density of the reactor poison determines the time within which the poison is consumed. the Control strength of the reactor poison is determined by the size of the cylinder surface, (which is a function of the cylinder radius). as well as by the number of cylinders with reactor poisons per unit cross-sectional area of the Reactor core. The radius, the density, the number and the distribution of the cylinders can therefore be used be chosen with the reactor poisons in such a way that such a decrease in tax or the strength of the rule with the burn-up results, that with the decrease in the excess reactivity corresponds to the burn-up of the fuel.

Wenn erfindungsgemäß die abbrennbaren Reaktorgifte räumlich so verteilt werden, daß sich während einer Betriebsperiode eine stationäre Leistungsverteilung ergibt, dann sind sowohl die anfängliche, durch das Reaktorgift hervorgerufene Regel- oder Steuerstärke kpi als auch das Abbrandintervall Eb der örtlichen Leistungsdichte P proportional. Darüber hinaus ist die örtliche Leistungsdichte P dem örtlichen Neutronenfluß direkt proportional.If, according to the invention, the burnable reactor poisons are spatially distributed in this way that there is a steady power distribution during an operating period results, then both the initial regulation caused by the poison or control strength kpi as well as the burn-up interval Eb of the local power density P proportional. In addition, the local power density P is the local Neutron flux directly proportional.

Es gilt also: 15) 5 r0 = C4P = und 16) TrO : 6P - C7 In diesen beiden Ausdrücken bedeuten C4 bis C7 Proportionalitätskonstanten.The following applies: 15) 5 r0 = C4P = and 16) TrO: 6P - C7 In these two Expressions mean C4 to C7 constants of proportionality.

Die vorstehenden aufgeführten Gleichungen sind entwickelt worden, um die Grundlagen der Erfindung aufzuzeigen, und sie sollen anschließend auf ein spezielles Ausführungsbeispiel angewendet werden. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß zur Berechnung eines wirklichen Reaktors wesentlich genauere analytische Methoden angewendet werden müssen. Wie bereits erwähnt wurde, beruhen die bereits angegebenen Gleichungen auf den folgenden Annahmen: a) Durch die Anwesenheit der Zylinder mit Reaktorgiften wird der NeutronenfluA nur unwesentlich gestört; b) die'Zylinder mit Rektorgiften liegen so weit voneinander entfernt, daß sie isoliert etrachtet werden können und auch nicht gegenseitig in ihrem chatten liegen; c)der makroskopische Wirkungsquerschnitt und die ichte der Reaktorgifte sind so groß, daß sie gegenüber Neutronen raktisch schwarz sind und sich somit selber abschirmen; und d), der totale Neutronenabsorptionsquerschnitt des Kern bleibt während des Abbrandes praktisch konstant. Es mag Fälle geben, in denen Abweichungen von diesen idealisierten Voraussetzungen vorkommen, und es mag erwunscht sein, die Größe und die Richtung dieser Abweichungen abzuschätzen, um die richtigen Korrekturfaktoren zu gewinnen.The equations listed above have been developed to demonstrate the fundamentals of the invention, and they are then intended to refer to a Special embodiment can be used. It should be noted, however that the calculation of a real reactor is much more precise analytical Methods need to be applied. As already mentioned, those are already based given equations based on the following assumptions: a) By the presence of the Cylinders with reactor poisons are only insignificantly disturbed by the neutron flow; b) the cylinder with rector poisons are so far apart that they are seen in isolation can and also not lie in their chatting to each other; c) the macroscopic The cross-section and the density of the reactor poisons are so large that they are opposite Neutrons are actually black and thus shield themselves; and d), the total neutron absorption cross-section of the core remains during the burn-up practically constant. There may be cases in which deviations from these idealized ones Conditions exist, and it may be desired, the size and the direction estimate these deviations in order to obtain the correct correction factors.

So beruht beispielsweise die Gleichung 6) auf der Annahme, daß die Zylinder mit dem Reaktorgift so klein- sind, daß sie den Neutronenfluß nicht merklich stören. Wenn man den Neutronenfluß aus einem homogenen, unendlichen Medium aüf Grund der bekannten Diffusionstherorie berechnet, erhält man als Ergebnis: Hierin bedeuten: D den Diffusionskoeffizienten der thermischen Neutronen, L die Diffusionslänge der thermischen Neutronen, Ko und K1 Besselfunktionen, d die inverse logarithmische Ableitung des Flusses an der Oberfläche des Zylinders und r den zeitabhängigen Radius des Zylinders.For example, equation 6) is based on the assumption that the cylinders containing the poison are so small that they do not noticeably disturb the flow of neutrons. If one calculates the neutron flux from a homogeneous, infinite medium on the basis of the known diffusion theory, the result is: Here: D denotes the diffusion coefficient of the thermal neutrons, L the diffusion length of the thermal neutrons, Ko and K1 Bessel functions, d the inverse logarithmic derivative of the flow on the surface of the cylinder and r the time-dependent radius of the cylinder.

Der in Klammern gesetzte Term, der mit "g" bezeichnet ist, beschreibt nun die Abweichung des Neutronenstromes J vom idealen Wert t4, wie er durch die Gleichung 6) gegeben ist. Wie nun dieser Term g sich in Abhängigkeit vom Zylinderadius ändert, ist für repräsentative Werte von L und D in der Figur 10 graphisch dargestellt. Wiezman sieht, führt die Gleichung 6) auf eine Abschätzung des Neutronenflusses, die für einen Zylinder mit Reaktorgiften mit einem Durchmesser von etwa 1 cm um etwa 50% zu hoch liegt. Die Reaktorgiftzylinder mit größerem Durchmesser neigen daher dazu, mit dem Abbrand schneller als die Abnahme des Zylinderdurchmessers zu verarmen.The term in parentheses that is labeled "g" describes now the deviation of the neutron flux J from the ideal value t4, as determined by the Equation 6) is given. How this term g depends on the cylinder radius changes is shown graphically in FIG. 10 for representative values of L and D. As Wiezman sees, equation 6) leads to an estimate of the neutron flux, those for a cylinder with poisons about 1 cm in diameter is about 50% too high. Incline the larger diameter poison cylinders therefore, with the burn-up faster than the decrease in the cylinder diameter impoverish.

Auf der anderen Seite beruht die Gleichung 8) auf der Annahme, daß das abbrennbare Reaktorgift gegenüber Neutronen vollständig schwarz ist. Eine Abweichung von dieser Annahme bedeutet, daß die Neutronen in einem gewissen fang in den Zylinder mit den Reaktorgitten eindringen können, so daß die Neutronenabsorption zu Beginn einer Btriebsperiode größer als am Ende einer Betriebsperiode ist. Dieser Effekt wirkt dem Enfluß größerer Zylinderdurchmesser entgegen, der gerade diskutiert worden ist, so daß sich diese beiden Effekte gegenseitig aufheben können.On the other hand, equation 8) is based on the assumption that the burnable reactor poison is completely black in relation to neutrons. A deviation from this assumption means that the neutrons catch up to some extent in the cylinder with the reactor mesh can penetrate, so that the neutron absorption at the beginning of an operating period is greater than at the end of an operating period. This effect counteracts the influx of larger cylinder diameters that has just been discussed so that these two effects can cancel each other out.

Der Neutronenabsorptionsquerschnott der meisten Materialien ist der Neutronengeschwindigkeit umgekhrt proportional. Die Selbstabschirmung ist daher für hoherenergetische Neutronen geringer, aber auf der anderen Seite ist der Bruchteil der höherenergetischein Neutronen, die von den Reaktorgiften eingefangen werden, sowieso gering.The neutron absorption cross section of most materials is that Neutron speed inversely proportional. The self-shielding is therefore for higher-energy neutrons lower, but on the other hand the fraction is the higher energetic neutrons that are captured by the reactor poisons, anyway low.

Ein anderer Faktor, der beim Aufstellen der vorstehenden Beziehungen nicht berücksichtigt wurde, ist der Einfluß der Zylinderstirntlächen. Im dargestellten AusfUhrungsbeispiel ist der Einfluß der Stirnflächen der Zylinder mit den REaktorgiften jedoch verhältnismäßig klein, da die Länge dieser Zylinder im Vergleich tu ihren Durchmessern sehr groß ist.Another factor to consider when establishing the above relationships was not taken into account, is the influence of the cylinder face. In the illustrated The exemplary embodiment is the influence of the end faces of the cylinders with the reactor poisons however, it is relatively small, since the length of these cylinders is compared to theirs Diameter is very large.

Nun soll die Verteilung der abbrennbaren Reaktorgifte innerhalb des gesamten Reaktorkerns betrachtet werden. In realisierten Kernreaktoren ändern sich der Neutronenfluß und damit die Leistungsdichte sowie die Reaktivitätsregelung innerhalb des Reaktorkerns sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Im Idealfall sollte das Reaktorgift, das zur Regelung der Überschußreaktivität im Kern angeordnet wird, diese Überschußreaktivität an jeder Stelle im Reaktorkern ausgleichen. So stellt beispielsweise in der Figur 9 eine Kurve kpi die anfängliche Stärke der Reaktivitätsregelung dar, die das REaktorgift auf einer axialen Linie durch den Kern hindurch aufbringen muß. Um somit die Verteilung zu erreichen, die durch die Kurve kpi dargestellt ist, müßte die Verteilung des REaktorgiftes kontinuierlich variiert werden. Nun kann man das Ziel der Erfindung, nämlich eine stationäre Leistungsverteilung und einen vollständigen Abbrand des Reaktorgiftes praktisch auch dadurch erreichen, daß die ideale Verteilung des Reaktorgiftes durch eine Stufenfunktion angenähert wird.Now the distribution of the burnable reactor poisons within the entire reactor core can be considered. Change in implemented nuclear reactors the neutron flux and thus the power density as well as the reactivity regulation within of the reactor core in both the axial and radial directions. Ideally, it should the reactor poison, which is placed in the core to regulate the excess reactivity, compensate for this excess reactivity at every point in the reactor core. So poses For example, in FIG. 9 a curve kpi shows the initial strength of the reactivity control that apply the reactor poison on an axial line through the core got to. Thus, in order to achieve the distribution represented by the curve kpi, would have to Distribution of the REactor poison varies continuously will. The aim of the invention, namely a stationary power distribution, can now be achieved and achieve a complete burn-up of the reactor poison practically also by, that the ideal distribution of the reactor poison is approximated by a step function will.

Hierzu wird der Reaktorkern in Zonnen eingeteilt, und in jeder Zone wird das Reaktorgift ßo angeordnet, wie es den mittleren Eigenschaften dieser Zone entspricht. Man nimmt also an, daß der Reaktorkern aus einer Anzahl von Elemetarvolumina besteht. Aus dem mittleren Neutronenfluß und der mittleren Überschußreaktivität am Beginn einer Betriebsperiode innerhalb eines solchen Elementarvolumens kann man dann für jedes Elementarvolumen die Verteilung und die Dichte des Reaktorgiftes nach den bereits erörterten Grundlagen bestimmen.For this purpose, the reactor core is divided into tiers, and in each zone the reactor poison is arranged according to the mean properties of this zone is equivalent to. It is therefore assumed that the reactor core consists of a number of elementary volumes consists. From the mean neutron flux and the mean excess reactivity at the beginning of an operating period within such an elementary volume one can then for each elementary volume the distribution and the density of the poison in the reactor determine according to the principles already discussed.

Ein anderer Faktor, der berQcksichtigt werden muß, besteht im Nachfüllen des Kernbrennstoffs sowie im Schema, das beim-Nach- ~ füllen des Brennstoffes verfolgt wird. Wenn am Ende einer Betriebsperiode alle Brennstoffbündel 20 (Figur 2) ausgetauscht werden, können alle Brennstoffbündel 20 abbrennbare Reaktorgi-fteenthalten, Nun ist es jedoch üblich, beim Nachladen eines Reaktors nur jeweils ein Viertel der Brennstoffbündel aussutau8chen.Another factor to consider is replenishment of the nuclear fuel as well as in the scheme that is followed when the fuel is refilled will. When all fuel bundles 20 (FIG. 2) are replaced at the end of an operating period all fuel bundles can contain 20 burnable reactor belts, well however, it is customary to only charge a quarter of the time each time a reactor is reloaded Replace fuel bundle.

in diesem Fall kann das Reaktorgift in den neuen BrennstoffbUndeln angeordnet werden, die dann in axialer Richtung richtig verteilt werden müssen.In this case, the reactor poison can be in the new fuel bundle are arranged, which must then be correctly distributed in the axial direction.

Im dargestellten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist das Reaktorgift in fünf axialen und in zwei radialen Zonen verteilt worden, also in-zehn Elementarvolumina des Reaktorkerns, wie es schematisch in den Figuren llA und lIB dargestellt ist. Wie bereits erörtert wurde, ist in der Figur 4A eine stationäre, axiale Leistungsverteilung Ps dargestellt worden. Die Leistungsverteilung ist der Neutronenflußverteilung direkt proportional. In der Figur 8A ist daher die stationäre Neutronenflußverteilung esa dargestellt, die zur stationären Leistungsverteilung P8 aus Figur 4A gehört. Die Figur 8B zeigt die entsprechende stationäre Neutronenflußverteilung zur in radialer Richtung. In der Figur 8A ist nun in gestrichelten Linien dargestellt worden, wie die Neutronenflußverteilung sa durch die Stufenfunktion angenähert ist, und zwar in fünf axialen Zonen la bis 5a. Die Stufenapproximation der radialen Neutronenflußverteilung sr ist in der Figur 8B gestrichelt dargestellt worden, und diese Approximation wurde in zwei Zonen Ir und 2r durchgeführt. Man kann daher jeder einzelnen der zehn Zonen, die dargestellt sind, eine axiale und eine radiale Koordinate zuordnen, also beispielsweise der obersten außenliegenden Zone die Koordinaten t5a, 2r), wie es in den Figuren llA und lIB dargestellt-ist.In the illustrated exemplary embodiment of the invention, the reactor is poisonous distributed in five axial and two radial zones, i.e. in ten elementary volumes of the reactor core, as shown schematically in Figures 11A and IB. As already discussed, in Figure 4A there is a steady-state, axial power distribution Ps has been depicted. The power distribution is direct to the neutron flux distribution proportional. In FIG. 8A, therefore, the stationary neutron flux distribution is esa shown, which belongs to the stationary power distribution P8 from Figure 4A. the Figure 8B shows the corresponding stationary Neutron flux distribution for in the radial direction. In the figure 8A is now shown in dashed lines how the neutron flux distribution sa is approximated by the step function, namely in five axial zones la to 5a. The step approximation of the radial neutron flux distribution sr has been shown in dashed lines in FIG. 8B, and this approximation has been made carried out in two zones Ir and 2r. You can therefore each of the ten zones, which are shown assign an axial and a radial coordinate, so for example of the uppermost outer zone the coordinates t5a, 2r), as shown in the figures IIA and IIB are shown.

Wie man den mittleren Neutronenfluß in jeder dieser Zonen aus den Eigenschaften des Reaktorkerns analytisch bestimmen kann, ist bekannt. Wenn man für den Zylinder mit Reaktorgift einen anlänglichen Radius rO annimmt und wenn man sich eine Abbrandzeit tb vorgibt, ist die Dichte des Reaktorgiftes, die erforderlich ist, um innerhalb dieser Zeit tb das Reaktorgift vollständig aufzubrauchen, durch die Gleichung 10) gegeben, die wie folgt umgeschrieben werden kann: 18) 9 = #tb/4ro In desem Ausdruck bedeutet # den mittleren Neutronenfluß in der Zone bei voller Reaktorleistung. -Wie bereits erwähnt, ist in der Figur 4B eine stationäre Reaktivitätsverteilung k5 dargestellt, die zur Erzielung der stationären Leistungsverteilung P5 aus Figur 4A erforderlich ist. Die anfängliche ungesteuerte Reaktivität des Reaktorkerns ist mit k.How to get the mean neutron flux in each of these zones from the It is known that the properties of the reactor core can be determined analytically. If for the cylinder with the poison reactor assumes an elongated radius rO and if one If a burn-up time tb is given, the density of the reactor poison is required is to completely use up the reactor poison within this time tb Equation 10) is given, which can be rewritten as follows: 18) 9 = # tb / 4ro In this expression # means the mean neutron flux in the zone at full Reactor power. As already mentioned, there is a stationary reactivity distribution in FIG. 4B k5, which is used to achieve the steady-state power distribution P5 from FIG 4A is required. The initial uncontrolled reactivity of the reactor core is with K.

bezeichnet worden, während kii die Differenz zwischen der ursprüngliahen Reaktivität und derjenigen Reaktivität bedeutet die von den Steuer- oder Regelstäben des Kernreaktors zwecks Änderung des Leistungspegels des Reaktors oder zum Anfahren beziehungsweise Abschalten gesteuert oder geregelt werden soll.while kii is the difference between the original Reactivity and that reactivity means that of the control rods of the nuclear reactor for the purpose of changing the power level of the reactor or for start-up or shutdown is to be controlled or regulated.

(Der Reaktivitätsregelbereich der Steuerstäbe liegt üblicherweise in der' Größenordnung von 2% tberschußreaktivitSt).(The reactivity control range of the control rods is usually in the order of 2% excess reactivity).

Die ursprüngliche Reaktivität, die durch das abbrennbare Reaktorgift geregelt beiehungsweise gesteuert werden muß, ist somit der Unterschied zwischen k8 und kiel. Dieser Unterschied ist in der Figur 9 als Kurve kpi dargestellt, die die Verteilung der Reaktivitätsregelstärke bedeutet. Diese Verteilungskurve kpi kann genau so wie die Neutronenflußverteilung aus der Figur 8A mit Hilfe einer Stufenfunktion approximiert werden wobei man die mittlere Reaktivität einer jeden Zone zu Grunde legt. Dieses ist in der Figur 9 gestrichelt dargestellt worden. Für jede Zone können der Mittelwert der Reaktivität und der Mittelwert der totalen Neutronenabsorption aus den Eigenschaften des Reaktorkerns auf bekannte Weise analytisch ermittelt werden. Die Anzahl- der Zylinder mit Reaktorgiften pro Einheitsquerschnittsfläche des Re akt orkerns kann aus der Gleichung 11) bestimmt werden, die sich folgendermaßen umschreiben läßt: Um nun Konstruktionsdaten für den Kernreaktor gewinnen zu können, wird es im allgemeinen erforderlich sein. Iterationsrechnungen, durchzuführen und diesen Iterationsrechnungen die Wahl des anfänglichen Zylinderradius rO mit dem Reaktorgift, die Dichte des Reaktorgiftes und die Anzahl T der Zylinder mit Reaktorgift zu Grunde zu legen. Außerdem stellt die Annahme, daß die Zylinder mit dem Reaktorgift selbst abschirmend sein sollen, eine untere Grenze für die Dichte des Reaktorgiftes dar, und diese untere Grenze ist materialabhängig. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Maß der Selbstabschirmung dem Produkt aus der Dichte und dem Absorptionsquerschnitt desjeneigen Materials proportional ist, das als Reaktorgift verwendet wird, und der Absorptionsquerschnitt ist materialabhängig. Um ein bestimmtes Maß an -Selbstabschirmung zu erreichen, kann man die Dichte des Reaktorgiftes um so gering ger wählen, je höher der Neutronenabsorptionsquerschnitt des Reaktorgiftes ist. Wenn man sich als Reaktorgift ein bestimmtes Material oder Isotop vorgibt, ist, wie aus Gleichung 10) hervorgeht, durch die Vorgabe einer unteren Grenze für die Dichte des Reaktorgiftes ßleichzeitig eine obere Grenze für den anfEnglichen Zylinderradius rO gegeben.The original reactivity, which has to be regulated or controlled by the burnable reactor poison, is thus the difference between k8 and kiel. This difference is shown in FIG. 9 as a curve kpi, which means the distribution of the reactivity control strength. This distribution curve kpi, just like the neutron flux distribution from FIG. 8A, can be approximated with the aid of a step function based on the mean reactivity of each zone. This has been shown in dashed lines in FIG. For each zone, the mean value of the reactivity and the mean value of the total neutron absorption can be determined analytically in a known manner from the properties of the reactor core. The number of cylinders with reactor poisons per unit cross-sectional area of the reactor core can be determined from equation 11), which can be rewritten as follows: In order to be able to obtain design data for the nuclear reactor, it will generally be necessary. Iteration calculations, and these iteration calculations are based on the selection of the initial cylinder radius rO with the poison, the density of the poison and the number T of cylinders with poison. In addition, the assumption that the cylinders with the poison itself should be shielding represents a lower limit for the density of the poison, and this lower limit is material-dependent. The reason for this is that the degree of self-shielding is proportional to the product of the density and the absorption cross-section of the material which is used as a poison, and the absorption cross-section is dependent on the material. In order to achieve a certain level of self-shielding, the density of the poison can be selected to be lower, the higher the neutron absorption cross-section of the poison is. If one pretends to be a certain material or isotope as a reactor poison, as can be seen from equation 10), by specifying a lower limit for the density of the reactor poison, an upper limit for the initial cylinder radius r0 is given at the same time.

Je nach den speziellen Anforderungen, die erfüllt werden sollen, sind die versehiedensten Anordnungen für die Zylinder mit dem Reaktorgift möglich. So kann man besipielsweise das Reaktorgift in getrennten Stauben oder Elementen anordnen, man kann den Kernbrennstoff kreisringförmig anordnen und die Zylinder mit dem Reaktorgift dann in den Kernbrennstoff einsetzen, man kann stabförneige Teilchen aus Reaktorgift im Kernbrennstoff verteilen, und man kann auch beispielsweise das Reaktorgift molekular im Kernbrennstoff dispergieren.Depending on the special requirements that are to be met the most diverse arrangements for the cylinders with the reactor poison are possible. So For example, you can arrange the reactor poison in separate dusts or elements, you can arrange the nuclear fuel in a circular ring and the cylinders with the reactor poison then put into the nuclear fuel, you can get rod-like particles from reactor poison distribute in the nuclear fuel, and you can also, for example, the reactor poison molecular disperse in nuclear fuel.

18 Reaktorgift können verschiedene Materialien verwendet werden.18 reactor poison, various materials can be used.

E8 seien hier nur Bor, Dyprosium, Europium, Kadmium, Samarium und Gadolinium erwähnt. Gadolinium erscheint besonders güntig, da sein Neutronenabsorptionsquerschnitt besonders hoch ist, so daß schon mit verhältnismäßig kleinen Gadoliniumkonzentrationen sinne gute Selbstabschirmung erreicht wird. Außerdem nimmt der Absorptionsquerschnitt von Gadolinium für Neutronen, deren Energien die thermischen Energien übersteigen, sehr rasch ab, so daß der Einfang höherenergetischer Neutronen durch das Gadolinium sehr gering ist.E8 are only boron, dyprosium, europium, cadmium, samarium and Gadolinium mentioned. Gadolinium appears particularly beneficial because of its neutron absorption cross-section is particularly high, so that even with relatively small gadolinium concentrations good self-shielding is achieved. In addition, the absorption cross-section increases of gadolinium for neutrons whose energies exceed the thermal energies, very rapidly, so that the capture of higher-energy neutrons by the gadolinium is very low.

Nun soll ein praktisches Ausführungsbeispiel beschrieben werden.A practical embodiment will now be described.

Bei einem Sernreaktor, der 464 Brennstoffbündel enthielt, wurden in 106 Brennstoffbündeln abbrennbare Reaktorgifte verwendet. Jede8 Brennstoffbündel enthielt 36 Brennstoffstäbe. Als Reaktorgift rde Gadolinium gewählt, das in der Form von Gadoliniumoxyd Ad203 zum Einsatz kam. Das pulverförmige Gadoliniumoxyd wurde 23 mit dem als Brennstoff verwendeten pulverförmigen Uranoxyd gemischt, und aus dieser Mischung wurden Kernbrennstoffpillen hergestellt, mit denen die Brennstoffstäbe gefüllt wurden. Bei den geringen Gadoliniumoxydkonzentrationen, die verwendet wurden, (zwischen 0,95 und 1,55 Gewichts-%) stellten das Gadoliniumoxyd und das Urandioxyd U02 eine feste Lösung dar, so daß das Gd2O3 im U02 vollständig molekular dispergiert war, so daß keine Agglomerate von Gd2O3 gebildet wurden. Der effektive Radius rO des Zylinders mit dem Reaktorgitt glich daher anfänglich dem Radius des Brennstoffstabes, der den Kernbrennstoff und das Reaktorgift gemeinsam enthielt. Im hier beschriebenen Beispiel betrug dieser Radius etwa 6,35 mm. Mit diesem anfänglichen Radius und mit der geringen Dichte, in der das Gadolinium verwendet wurde, trat bereits praktisch eine Selbstabschirmung des Reaktorgiftes ein.In a Sernreaktor, which contained 464 fuel bundles, were in 106 fuel bundles used burnable reactor poisons. Each 8 fuel bundles contained 36 fuel rods. Gadolinium was chosen as the poison in the reactor Form of gadolinium oxide Ad203 was used. The powdery gadolinium oxide 23 was mixed with the powdered uranium oxide used as fuel, and From this mixture, nuclear fuel pills were made, with which the fuel rods were filled. At the low concentrations of gadolinium oxide that were used, (between 0.95 and 1.55% by weight) were the gadolinium oxide and the uranium dioxide U02 is a solid solution, so that the Gd2O3 in the U02 is completely molecular was dispersed so that agglomerates of Gd2O3 were not formed. The effective one The radius rO of the cylinder with the reactor grid was therefore initially the same as the radius of the Fuel rod that contained the nuclear fuel and the reactor poison together. In the example described here, this radius was about 6.35 mm. With this initial one Radius and stepped with the low density in which the gadolinium was used already practically a self-shielding of the reactor poison.

In den-verschiedenen Zonen, die in den Figuren liA und 11B dargestellt sind, müssen die Dichte des Reaktorgiftes und die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgift geändert werden. Dieses wurde durch eine Xnderung derjenigen Brennstoffstäbe erreicht, die Reaktorgifte enthielten, und außerdem durch eine Xnderung der Konzentration der Reaktorgifte innerhalb der Brennstoffstäbe.In the various zones shown in FIGS. 11A and 11B must be the density of the poison and the number of cylinders with poison be changed. This was achieved by changing the fuel rods the reactor poisons contained, and also by a change in concentration the reactor poisons within the fuel rods.

Um die richtige Verteilung der Reaktorgifte zu erreichen, wurden zwei verschiedene Arten von Reaktorgiften enthaltenden Brennstoffbündeln verwendet. In der Mitte des Reaktorkerns, in der die Neutronenflußdichte hoch ist, wurden BrennstoffbUndel mif einer verhältnismäßig hohen Konzentration an Reaktorgiften vesrwendet. Diese Brennstoffbündel sollen im folgenden als "H"-BUndel bezeichnet werden. Sie-sind in den Figuren 12A und 12B dargestellt. In den Randgebieten des Reaktorkerns, in denen der Neutronenfluß geringer ist, wurden Brennstoffbündel verwendet, in denen die Konzentration der Reaktorgifte geringer war. Diese Bündel werden im folgenden als "L"-BUndel bezeichnet, und sie sind in den Figuren 13A und 13B dargestellt.In order to achieve the correct distribution of the reactor poisons, two were various types of fuel bundles containing reactor poisons are used. In In the middle of the reactor core, where the neutron flux density is high, fuel bundles became used with a relatively high concentration of reactor poisons. These Fuel bundles are to be referred to below as "H" bundles. They are shown in Figures 12A and 12B. In the outskirts of the reactor core, in in which the neutron flux is lower, fuel bundles were used in which the concentration of the reactor poisons was lower. These bundles are described below referred to as "L" bundles, and they are shown in Figures 13A and 13B.

Die Figur 12A zeigt die axiale Verteilung des Gadoliniums in drei verschiedenen, Reaktorgift enthaltenden Stäben A, B und C, die in den "H"-Bündeln verwendet werden, während die Figur 12B eine Draufsicht auf ein solches "H"-BUndel ist, aus der hervorgeht, wie die Stäbe mit dem Reaktorgift in einem solchen Brennstoffbündel radial angeordnet sind.Figure 12A shows the axial distribution of gadolinium in three various rods A, B and C containing poison contained in the "H" bundles may be used, while FIG. 12B is a plan view of such an "H" bundle which shows how the rods with the poison in such a fuel bundle are arranged radially.

Die Figur 13A zeigt nun die axiale Verteilung des Reaktorgiftes in den beiden Stäben D und E> die in den "Lt'-Bündeln verwendet werden, während in der Figur 13B dargestellt ist, wie die beiden Stäbe D und E radial in einem solchen "L"-Brennstoffbündel angeordnet sind.FIG. 13A now shows the axial distribution of the reactor poison in the two rods D and E> which are used in the 'Lt' bundles while FIG. 13B shows how the two rods D and E radially in such a "L" fuel bundles are arranged.

Es sei bemerkt, daß nur drei verschiedene Dichten an~abbrennbarem Reaktorgift benötigt werden. In der Figur 14 ist gezeigt, wie die Brennsoffstäbe nach den Figuren llA und 12A aufgebaut sind. Sie bestehen aus einer röhrenförmigen Hülse 131 die in einer Anzahl von zylindrischen Brennstoffpillen 132 Kernbrennstoff enthält.It should be noted that only three different densities of burnable Reactor poison are needed. In Figure 14 it is shown how the fuel rods are constructed according to Figures 11A and 12A. They consist of a tubular Sleeve 131 containing nuclear fuel in a number of cylindrical fuel pills 132 contains.

Die Verteilung des Reaktorgiftes, wie sie in den Figuren 11A und.The distribution of the reactor poison as shown in FIGS. 11A and.

12A dargestellt ist, wird dadurch erreicht, daß in den verschiedenen axialen Zonen der Brennstoffhülsen 131 die richtige Anzahl von Brennstoffpillen mit der passenden Konzentration an Reaktorgiften eingefüllt wird. Da nur drei verschiedene Konzentrationen an Reaktorgiften benötigt werden, wird die Herstellung von Brennstoffpillen> die Reaktorgifte enthalten, Sehr vereinfacht.12A is achieved in that in the various axial zones of the fuel sleeves 131 the correct number of fuel pills is filled with the appropriate concentration of reactor poisons. There are only three different Concentrations of reactor poisons are needed, the manufacture of fuel pills> which contain reactor poisons, very simplified.

Im vorliegenden Beispiel sind von den 106 reaktorgiftenthaltenden Brennstoffbündeln 56 sogenannten "H"-Bündel mit einer hohen Reaktorgiftkonzentration, die in der inneren radialen Zone Ir gleichförmig ver-teilt sind. (Siehe hierzu Figuren IlA und 11B).In the present example there are 106 of the reactor poison-containing Fuel bundles 56 so-called "H" bundles with a high concentration of poison in the reactor, which are uniformly distributed in the inner radial zone Ir. (See figures IlA and 11B).

Die restlichen 50 Brennstoffbündel sind sogenannte "L"-Bündel mit einer niedrigen Reaktorgiftkonzentration, die in der Rußeren Radialzone 2r gleichförmig verteilt sind.The remaining 50 fuel bundles are so-called "L" bundles with a low poison concentration that is uniform in the sootier radial zone 2r are distributed.

Als Beispiel soll nuj angegeben werden, wie die Anzahl der Zylinder mit Reaktorgiften sowie die Konzentration in diesen Zylindern in der Zone (3a> Ir) (Figuren llA und llB) aus den Gleichungen 18 und 19 bestimmt werden können: Wenn der mittlere Neutronenfluß in der Zone (3a, Ir) bei voller Reaktorleistung = 2,5 x 1013 Neutronen/qcm-sec beträgt und wenn eine Betriebsperiode bei 75% der Nennleistung 1 Jahr betragen soll, dann ist tb gleich 0,75 x 3 x 107 sec und t = 6,1 x 1020 Neutronen/qcm. Wenn der anfängliche Radius des Zylinders mit dem Reaktorgift 0>635 cm beträgt, berechnet sich die erforderliche Diche des Reaktgiftes aus Gleichung 18) wie folgt: Dieses ist die' erforderliche Konzentration an Gadolinium mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt, das im natürlichen Gadolinium mit einer prozentualen Wahrscheinlichkeit von 30, 4% vorhanden ist. Die erforderliche Dichte; n an natürlichem Gadolinium beträgt daher Die entsprechende Dichte der Uranatome im UO2 beträgt etwa 2,4 x 1022. Das Gewichtsverhältnis zwischen Gd2O3 und UO2 beträgt daher oder etwa 2,2% Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Radius des Zylinders mit dem Reaktorgift ziemlich groß ist (0,635 cm), führt die Gleichung 18) auf einen zu großen Neutronenstrom während des Anfangs einer Betriebsperiode in diesen Zylinder hinein. Der Gewichtsanteil von 2,2% muß daher um den Faktor g aus der Gleichung 17) vermindert werden.As an example, nuj should be given how the number of cylinders with reactor poisons and the concentration in these cylinders in the zone (3a> Ir) (FIGS. 11A and 11B) can be determined from equations 18 and 19: If the mean neutron flux in the Zone (3a, Ir) at full reactor power = 2.5 x 1013 neutrons / qcm-sec and if an operating period at 75% of the nominal power is to be 1 year, then tb is 0.75 x 3 x 107 sec and t = 6.1 x 1020 neutrons / sqcm. If the initial radius of the cylinder with the poison is 0> 635 cm, the required thickness of the poison is calculated from equation 18) as follows: This is the required concentration of gadolinium with a high neutron capture cross-section, which is present in natural gadolinium with a percentage probability of 30.4%. The required density; n in natural gadolinium is therefore The corresponding density of uranium atoms in UO2 is about 2.4 x 1022. The weight ratio between Gd2O3 and UO2 is therefore or about 2.2%. Since in the present exemplary embodiment the radius of the cylinder with the poison is quite large (0.635 cm), equation 18) leads to an excessively large neutron flux during the beginning of an operating period into this cylinder. The weight fraction of 2.2% must therefore be reduced by the factor g from equation 17).

Aus der Figur 10 geht hervor, daß der Faktor g für einen Radius von 0,635 cm etwa O,z beträgt. Multipliziert man nun die 2,2% mit 0,7, so erhält man 1,54%, und dieser Wert stinmt mit der Angabe von 1,55% für die Zone (3a, 1r) aus Figur 12A gut überein.From Figure 10 it can be seen that the factor g for a radius of 0.635 cm is about O, z. If you multiply the 2.2% by 0.7, you get 1.54%, and this value corresponds to the specification of 1.55% for zone (3a, 1r) Figure 12A corresponds well.

Die Anzahl T der Zylinder mit Reaktorgiften, die pro qcm Reaktor 1uerschnittsfläche erforderlich sind, um in der Zone (3a, 1r) die anfängliche Regelstärke kpi hervorzurufen (Figur 9), läßt sicke aus der Gleichung 19) ableiten. Wenn beispielsweise der Abbrand in dieser Zone -4100 Megawatt-Tage pro Tonne betragen soll, nimmt die örtliche Reaktivität mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,015/1000 Megawatt-Tagen pro Tonne ab. Die zu Beginn erforderhohe Regelstärke für die Reaktivität kpi beträgt daher etwa 4,1 (0,015) = 0,0615. der makroskopische Querschnitt beträg her etwa #ta0,05 cm-1. Hieraus folgt aus der Beziehung 19) 2(0>05)(0j0615) ~ 3,1 x t0 ' Zylinder/qcm (0,635) Im vorliegenden Beispiel sind Zylinder mit Reaktorgift nur in etwa jedem Vierten Brennstoffbündel eingesetzt, und der Querschnitt eines jeden Brennstoffbündels beträgt etwa 650 qcm. Somit beträgt die Anzahl von Zylindern mit Reaktorgift in jedem Brennstoffbündel, in dem solche Zylinder verwendet werden, etwa -4 (25) (2,54)² (3,1 x 10-3) = 2 Zylinder pro Bündel.The number T of cylinders with reactor poisons, the cross-sectional area per square cm of reactor are required to produce the initial control strength kpi in zone (3a, 1r) (Figure 9), can be derived from equation 19). For example, if the burn in this zone is supposed to be -4100 megawatt-days per ton, the local reactivity decreases at a rate of about 0.015 / 1000 megawatt-days per ton. The too The start of the required high control strength for the reactivity kpi is therefore around 4.1 (0.015) = 0.0615. the macroscopic cross-section is about # ta0.05 cm-1. It follows from this from the relation 19) 2 (0> 05) (0j0615) ~ 3.1 x t0 'cylinder / qcm (0.635) in the present Examples are cylinders with reactor poison only in about every fourth fuel bundle is used, and the cross-section of each fuel bundle is approximately 650 square centimeters. Thus, the number of poison cylinders in each fuel bundle is using such cylinders, approximately -4 (25) (2.54) ² (3.1 x 10-3) = 2 cylinders per bundle.

Dieses ist die Dichte der Zylinder mit Reaktorgift in der Zone 3a, Ir des vorliegenden Ausfuhrungsbeispiels, wie es in der Figur 12A dargestellt ist.This is the density of the cylinders with reactor poison in zone 3a, Ir of the present exemplary embodiment, as shown in FIG. 12A.

Die Verwendung von selbstabschirmenden Reaktorgiften in-nur einigen wenigen Brennstoffstäben, wie sie bisher beschrieben worden ist, kann jedoch auf einige störende Effekte führen.The use of self-shielding reactor poisons in-just a few a few fuel rods, as has been described so far, can, however, on cause some disturbing effects.

Einmal ist die anfängliche Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit den Reaktorgiften erheblich herabgesetzt, da die Gifte nicht nur sich selbst, sondern auch den Kernbrennstoff abschirmen und an der Neutronenbilanz teilnehmen. Dadurch können an anderer Stelle im Reaktor ungünstig hohe Leistungsspitzen auftreten.First of all, the initial power density is in the fuel rods significantly reduced with the reactor poisons, since the poisons not only themselves, but also shield the nuclear fuel and participate in the neutron balance. As a result, unfavorably high power peaks can occur elsewhere in the reactor.

Zum Zweiten nimmt die von den sich selbst abschirmenden Giften geregelte Reaktivität zu, wenn der Reaktor vom kalten Zustand in den heißen Betriebszustand gebracht wird. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich darin, daß die Diffusionslänge- der thermischen Neutronen zunimmt, da die Dichte des Moderators bei steigenden Temperaturen und im besondern im Betriebazustand des Reaktors abnimmt, und da auch die Absorptionsquerschnitte des Brennstoffes sowie der anderen im Reaktor vorhandenen Materialien, sofern sie keine Reaktorgifte sind, mit steigenden Temperaturen kleiner werden. Befindet sich der Kernreaktor also auf Betriebstemperatur, so legen die thermischen Neutronen einen größeren Weg zurück, bis sie absorbiert werden, und damit ist auch die Wahrscheinlichkeit gröBer, daß die Neutronen von den Reaktorgiften absorbiert werden. Bei einem vorgegebenen mechanischen Steuersystem für einen Kernreaktor können diese Effekte Schwierigkeiten hervorrufen, wenn man bedenkt, welche ReaktivitEtsregelung erforderlich ist, um einen Kernreaktor im kalten Zustand abgeschaltet zu halten, und in wie weit diese Reaktivitätsregelung zurückzunehmen ist, um den Reaktor bei der Betriebstemperatur bei voller Leistung zu betreiben.Second, take the regulated by the self-shielding poisons Reactivity to when the reactor from the cold state to the hot operating state is brought. The main reason for this is that the diffusion length the thermal Neutrons increases as the density of the moderator decreases with increasing temperatures and especially when the reactor is in operation, and there also the absorption cross-sections of the fuel and the others in the reactor existing materials, provided they are not reactor poisons, with increasing temperatures get smaller. So if the nuclear reactor is at operating temperature, put it the thermal neutrons go back a greater distance until they are absorbed, and thus the probability is greater that the neutrons are poisoned by the reactor be absorbed. Given a mechanical control system for a nuclear reactor these effects can cause difficulties when one considers which reactivity control is required to keep a nuclear reactor shut down when cold, and to what extent this reactivity regulation is to be withdrawn in order to reduce the reactor the operating temperature to operate at full power.

Drittens verarmt das Reaktorgift mit dem Abbrand, so daß die Leistungsdichten in den Brennstoffstäben mit dem Reaktorgift ansteigen. Hierdurch'können unzulässig-hohe Leistungsspitzen erreicht und die materialbedingten Temperaturgrenzen überschritten werden. Dieses ist besonders am Ende einer Betriebi6tiode der Fall, wenn die Reaktorgifte praktisch verbraucht sind.Thirdly, the reactor poison is depleted with the burnup, so that the power densities rise in the fuel rods with the reactor poison. This can result in impermissibly high Power peaks reached and material-related temperature limits exceeded will. This is particularly the case at the end of an operating period, when the reactor poisons are practically consumed.

Diese Schwierigkeiten lassen sich nun erfindungsgemäß dadurch überwinden, wenn man in Verbindung mit Reaktorgiften Plutonium als Kernbrennstoff verwendet. Stoffe, die als Reaktorgifte in Frage kommen, wurden~bereits genannt, und auch hier erscheint Gadolinium besonders geeignet. Die Vorteile der Kombination aus Gadolinium und Plutonium beruhen auf der Energie abhängigkeit ihrer Neutronenwirkungsquerschnitte für Neutronenenergien unterhalb von etwa 0,5 eV. In der Figur 45 ist nun der mikroskopische Wirkungsquerschnitt von Pu-239, U-235 und von Gadolinium für thermische Neutronen -aufgezeichnet. Wie man sieht, nimmt der Wirkungsquerschnitt von Gadolinium für Neutronenenergien oberhalb von etwa 0,1 eV sehr rasch ab, und zwar wesentlich stärker, als es nach dem bekannten lIv - Gesetz zu erwarten wäre. Der Wirkungsquerschnitt von Pu-239 steigt dagegen von einer Energie von etwa 0,1 eV ab an und erreicht ein ausgeprägtes Maximum, das bei einer Neutronenenergie von etwa 0,3 eV liegt. Der Wirkungsquerschnitt von U-235 zeigt dagegen, abgesehen von einer kleinen Resonanzstelle bei 0,3 eV die übliche liv - Abhängigkeit. Darüber hinaus ist der Wirkungsquerschnitt von Pu-239-besonders im Enerhiegebiet zwischen 0,1 und 0,5 eV erheblich größer als der Wirkungsquerschnitt von U-235, und er liegt auch sonst höher als der Wirkungsquerschnitt von U-235. Hiervon sind nur die höchsten thermischen Energien ausgeschlossen. Man sieht also, daß das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Plutonium und Gadolinium größer als das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Uran und Gadolinium ist, und daß dieses Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Plutonium und Gadolinium im Energiebereich zwischen 0,1 und-0,3 eV wesentlich rascher ansteigt als das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von U-235 und Gadolinium.According to the invention, these difficulties can now be overcome by when plutonium is used as nuclear fuel in conjunction with reactor poisons. Substances that could be used as reactor poisons have already been mentioned, and also here Gadolinium appears to be particularly suitable. The benefits of the combination of gadolinium and plutonium are based on the energy dependence of their neutron cross-sections for neutron energies below about 0.5 eV. In FIG. 45 there is now the microscopic one Cross-section of Pu-239, U-235 and gadolinium for thermal neutrons -recorded. As can be seen, the cross-section of gadolinium takes for Neutron energies above about 0.1 eV decrease very quickly, and much more strongly, than would be expected from the well-known IV law. Of the Cross section of Pu-239, on the other hand, rises from an energy of about 0.1 eV and reaches a pronounced maximum, which lies at a neutron energy of about 0.3 eV. Of the In contrast, the cross-section of U-235 shows, apart from a small resonance point at 0.3 eV the usual liv - dependence. In addition, the cross-section is of Pu-239-especially in the energy range between 0.1 and 0.5 eV considerably larger than the cross-section of U-235, and it is otherwise higher than the cross-section from U-235. Only the highest thermal energies are excluded from this. Man thus sees that the ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium is greater than the ratio of the cross-sections of uranium and gadolinium, and that this ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium in the energy range between 0.1 and -0.3 eV increases significantly faster than the ratio the cross sections of U-235 and gadolinium.

Da der Spaltungsquerschnitt des Plutonium größer als der Spaltungsquerschnitt von Uran ist, werden in der Gegenwart des Reaktorgiftes von Plutonium mehr Neutronen als vom U-235 eingefangen, so daß im Plutonium mehr Spaltprozesse auftreten. Die LEistungsdichte in einer Mischung aus Plutonium und Gadolinium ist daher größer als die LEistungsdichte in einer vergleichbaren Mischung aus U-235 und Gadolinium. Hierdurch werden eventuell auftretende Leistungsspitzen kleiner gemacht.Because the fission cross-section of the plutonium is larger than the fission cross-section uranium, more neutrons will be produced in the presence of the reactor poison of plutonium than captured by the U-235, so that more fission processes occur in the plutonium. the Power density in a mixture of plutonium and gadolinium is therefore greater than the power density in a comparable blend of U-235 and gadolinium. In this way, any power peaks that may occur are made smaller.

Wenn der Reaktor vom kalten Zustand aus seine Betriebstemperatur erreicht, verschiebt sich das Spektrum der thermischen Neutronen zu höheren Energien hin. Das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Plutonium und Gadolinium wird jedoch dann ebenfalls erheblich größer. Dieses ruft einen positiven Reaktivitätseffekt hervor, der zu mindest teilweise den negativen Reaktivitätseffekt kompensiert, der dadurch bedingt ist, daß die Steuer- oder Regelstärke der Reaktorgifte bei erhöhten Temperaturen höher ist.When the reactor reaches its operating temperature from the cold state, the spectrum of thermal neutrons shifts towards higher energies. However, the ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium is then also considerably larger. This causes a positive reactivity effect which at least partially compensates for the negative reactivity effect that this is due to the fact that the control or regulating strength of the reactor poisons at increased Temperatures is higher.

Des größeren Wirkungsquerschnittea wegen wird Plutonium schneller als U-235 verbraucht. Daher werden auch die Leistungsspitzen in den Brennstoffstäben mit den Reaktorgiften geringer, die auftreten können, wenn das Reaktorgift nahezu verbraucht ist.Because of the larger cross-section, plutonium becomes faster consumed as U-235. Hence the power peaks in the fuel rods too with the reactor poisons less that can occur when the reactor poison is near is consumed.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Daten, insbesondere Neutronendaten für zwei Brennstoffbündel angegeben, von denen das eine zwei Brennstoffstäbe mit einer Mischung aus Pu-Gd und das andere zwei Brennstoffstäbe mit einer vergleichbaren Mischung aus Uran und Gadolinium enthielt. In dieser Tabelle bedeutet (f) die Anzahl der Spaltungsneutronen, die für jedes absorbierte thermische Neutron erzeugt wird.In the table below is some data, especially neutron data given for two fuel bundles, one of which has two fuel rods a mixture of Pu-Gd and the other two fuel rods with a comparable one Contained mixture of uranium and gadolinium. In this table, (f) means the number the fission neutrons generated for each thermal neutron absorbed.

(#f) kalt Gd-Pu/1,5121 Ge-U/1,5122 (f) heiß 1,5204 1,5128 Leistung in einem Stab mit Gift zu einem Stab ohne Gift o,6241 0,1751 Anreicherungsgrad (in %) spaltbares Plutonium 2,5-spaltbares-Uran 0,7 2,5 Besonders hinzuweisen ist auf die größere positive Reaktivitätsänderung des Gd-Pu-Stabes, die beim übergang vom kalten Zustand in den heißen Betriebszustand auftritt, und auf die wesentlich höhere relative Leistung einer solchen Mischung.(#f) cold Gd-Pu / 1.5121 Ge-U / 1.5122 (f) hot 1.5204 1.5128 power in a stick with poison to a stick without poison o.6241 0.1751 degree of enrichment (in %) fissile plutonium 2.5-fissile uranium 0.7 2.5 Particular attention should be given to the greater positive change in reactivity of the Gd-Pu rod that occurs when the transition from cold state occurs in the hot operating state, and on the much higher relative performance of such a mixture.

Die Kombination von Gadolinium und Plutonium kann in der Form einer Mischung verwendet werden, die in gleicher Weise wie die bereits beschriebene Uran-Gadolinium-Mischung hergestellt worden sein kann. Zur Verdünnung einer solchen Plutonium-Gadolinium-Mischung können natürliches Uran oder abgereichertes Uran oder andere Stoffe wie Aluminium- oder Zirkonoxyd verwendet werden.The combination of gadolinium and plutonium can be in the form of a Mixture used in the same way as the uranium-gadolinium mixture already described may have been made. For diluting such a plutonium-gadolinium mixture natural uranium or depleted uranium or other substances such as aluminum or zirconium oxide can be used.

Wenn man Eigenschaften hervorzurufen wünscht, die zwischen den Eigenschaften einer Gd-Pu-Mischung und Gd-U-Mischung liegen, kann man sowohl angereichertes Uran als auch Plutonium mit Reakw torgift mischen und diese Mischung dann in den gleichen Stab füllen. Die Menge und die Verteilung des Giftes kann immer nach den Qrundlagen bestimmt werden, die vorstehend entwickelt worden sind, um die richtigen Reaktivitätsregelstärken zu erreichen und um aatur su sorgen, daß das Gift auf die richtige Weise mit dem Abbrand verbraucht wird.If one wishes to evoke properties that lie between properties a Gd-Pu-Mixture and Gd-U-Mixture, one can use both enriched uranium as well as plutonium with reacw Mix torgift and this mixture then fill in the same stick. The amount and distribution of the poison can always be be determined according to the principles developed above to achieve the to achieve the correct reactivity control strengths and to ensure that the Poison is consumed in the right way with the burn.

Wie viel Plutonium zusammen mit dem Reaktorgift verwendet werden soll, ist eine Fallfrage. Man kann den Plutoniumgehalt so weit steigern, daß die maximale Leistungsdichte im Plutonium, die während des Abbrandes auftritt, der maximalen Leistungsdichte in irgend einem anderen Stab eines Brennstoffbündels erreicht.How much plutonium should be used with the reactor poison, is a case question. The plutonium content can be increased so that the maximum The maximum power density in the plutonium that occurs during combustion Reached power density in any other rod of a fuel bundle.

Man braucht auch das Plutonium und das Reaktorgift nicht miteinander zu mischen. Man kann das Gift auch in diskreten Teilchen, Brocken, Drähten oder in ähnlicher Form in bestimmten Abschnitten eines Brennstoffstabes verwenden und das Plutonium um das Reaktorgift herum anordnen.You don't need the plutonium and the reactor poison together either to mix. The poison can also be in discrete particles, chunks, or wires use in a similar form in certain sections of a fuel rod and arrange the plutonium around the reactor poison.

In der bisher beschriebenen Ausführungsform ist das abbrennbare Reaktorgift zylindrisch angeordnet, um zu erreichen, daß die Regelstärke auf die gleiche Weise wie die Reaktivität grpßer Leistungsreaktoren linear abnimmt. Wenn man Jedoch für die abbrennbaren Reaktorgifte eine andere Anordnung wahlt oder eine Kombination verschiedener Anordnungen verwendet, können auch Kurven von anderem Verlauf, die einen Reaktivitätsverlust beschreiben, angepaßt werden. Wenn man beispielsweise das Reaktorgift als selbstabschirmende Kugeln anordnet, erfolgt die Abnahme der Reaktivitätsregelung zum Beginn einer Betriebsperiode schneller als am Ende einer Betriebsperiode. Ordnet man dagegen das Reaktorgift als einen dünnen selbstabschirmenden Streifen oder Stab an, dann nimmt die Reaktivitätsregelung praktisch konstant mit dem Abbrand ab, nur findet dann eine prompte Abnahme der Regelstärke am Ende einer Betriebsperiode statt, wenn das Reaktorgift aufgebraucht ist.Andere mögliche Anordnungen sind hohle Zylinder oder Röhren, Stäbe mit elliptischem Querschnitt oder auch Stäbe mit ebenen Seitenflächen wie beispielsweise Stäbe mit hexagonalem Qüerschnitt. Man kann auch verschieden große Teile abbrennbarer Reaktorgifte miteinander kombiRieren, um einen vorgegebenen Zusammenhang zwischen dem Abbrand und der Reaktivitätsregelung zu erreichen.In the embodiment described so far, the reactor is burnable poison arranged cylindrically in order to achieve that the control strength in the same way how the reactivity of larger power reactors decreases linearly. However, if you are for the burnable reactor poisons chooses a different arrangement or a combination different arrangements used, curves of other course, the describe a loss of reactivity. For example, if you arranging the reactor poison as self-shielding spheres, the removal of the Reactivity control at the beginning of an operating period faster than at the end of one Operating period. On the other hand, if one classifies the reactor poison as a thin self-shielding one Strip or stick on, then the reactivity control picks up practically constantly the burn-up, only then there is a prompt decrease in the rule strength at the end of a Operating period takes place when the reactor poison has been used up. Other possible arrangements are hollow cylinders or tubes, rods with an elliptical cross-section or rods with flat side surfaces such as bars with a hexagonal cross-section. Man can also combine different sized parts of combustible reactor poisons with one another, a predetermined relationship between the burn-up and the reactivity control to reach.

In der Figur 16 ist nun ein hohl zylindrische oder ringförmige Pille 160 dargestellt. Diese Geometrie ist für die Kombination von Plutonium und Reaktorgift besonders günstig, da bei der Verwendung von Plutonium als Brennstoff das erhöhte Verhältnis von spaltbarem zu brütbarem Material ohne größere Nachteile in Kauf genommen werden kann, das für eine solche hohlzylindrische Geometrie erforderlich ist. Da die Temperatur in der Mitte einer hohlzylindrischen Pille herabgesetzt ist, kann der mit Gift versetzte Brennstoff mit höheren Leistungsdichten betrieben werden, und es können auch Brennstoffpillen gernigerer Dichte und geringerer Leitfähigkeit verwendet werden, ohne daß die Mitte der Pille, beispielsweise nach Verbrauch des Brennstoffes, schmilzt.In FIG. 16 there is now a hollow, cylindrical or ring-shaped pill 160 shown. This geometry is for the combination of plutonium and reactor poison particularly favorable, as the increased when using plutonium as fuel Ratio of fissile to incubable material accepted without major disadvantages which is required for such a hollow cylindrical geometry. There the temperature in the center of a hollow cylindrical pill is lowered, can the poisoned fuel is operated with higher power densities, and fuel pills of lower density and lower conductivity can also be used can be used without the center of the pill, for example after consumption of the Fuel, melts.

Es können daher auch Leistungsspitzen innerhalb der hohlzylindrischen Pille toleriert werden. Wie bei. hohlzylindrischen Pillen die Regelstärke des Reaktorgiftes Kp mit dem Abbrand-,Eb im Vergleich zu den entsprechenden drößen einer vollzylindrischen Pille abnimmt, ist in der Figur 17 dargestellt. Es ist das Verhalten von drei verschiedenen Pillen dargeßtellt, die den gleichen Au-Bendurchmesser und die gleiche Länge aufweisen, und die außerdem die gleiche Anzahl von Reaktorgiftatomen enthalten, die in einer solchen Dichte vorliegen, daß eine Selbstabschirmung auftritt.There can therefore also be power peaks within the hollow cylindrical Pill to be tolerated. As in. hollow cylindrical pills control the strength of the reactor poison Kp with the burn-up, Eb in comparison to the corresponding dimples of a fully cylindrical Pill decreases, is shown in Figure 17. It is the behavior of three different ones Pills shown that have the same outer diameter and the same length, and which also contain the same number of poisonous atoms in one be of such a density that self-shielding occurs.

Die Kurve 170 zeigt, wie die Regelstärke einer massiven, mit Gift versetzten-zylindrischen Pille mit dem Abbrand abnimmt, und dieses erfolgt auf ganz ähnliche Weise, wie es in Verbindung mit Figur 7 bereits erörtert wurde. Am Ende der Lebensdauer der Pille findet jedoch keine Selbstabschirmung mehr statt, und daher weicht die Kurve 170 von einer geraden Linie ab, wenn das Gift praktisch aufgebraucht ist, wie es die gestrichelte Kurvenfortsetzung zeigt.Curve 170 shows how the regular strength of a massive, with poison staggered-cylindrical pill decreases with the burn, and this occurs entirely in a manner similar to that already discussed in connection with FIG. At the end however, there is no longer any self-shielding during the life of the pill, and therefore curve 170 deviates from a straight line when the poison is practically depleted is, as the dashed curve continuation shows.

Die Kurve 171 zeigt die Abnahme der Regelstärk.e einer mit Gift versetzten hohlzylindrischen Pille, deren hohler Innenraum etwa 25% des Gesamtvolumens der Pille ausmacht. Die anfängliche Regelstärke ist etwas höher als die anfängliche Regel stärke einer massiven zylindrischen Pille, da die Konzentration des Giftes an der Oberfläche größer ist. Bei der gleichen Anzahl von Giftatomen in der massiven und in der hohlzylindrischen Pille ist die Neigung der Kurve 171 geringer als die Neigung der Kurve 170, da die Dichte des Giftes in der hohlzylindrischen Pille größer ist und da somit der effektive Radius des Giftes langsamer abnimmt. Das besondere Merkmal einer mit Gift versetzten hohlzylindrischen Pille besteht in dem prompten Abfall ihrer Regelstärke nach Verbrauch des Giftes. Dieses Merkmal kann vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn es darauf ankommt, die Regel- oder Steuerwirkung des Reaktorgiftes gezielt zu beenden, und wenn es darauf ankommt, daß bei der Aufarbeitung des verbrauchten Brennstoffes möglichst wenig Reaktorgift vorhanden ist.The curve 171 shows the decrease in the rule strength of a poisoned hollow cylindrical pill, the hollow interior of which is about 25% of the total volume of the Pill matters. The initial rule strength is slightly higher than the initial one Usually a massive cylindrical pill strengthens because of the concentration of the poison is larger on the surface. With the same number of poison atoms in the massive and in the hollow cylindrical pill, the slope of the curve 171 is less than that Slope of curve 170 because the density of the poison in the hollow cylindrical pill is greater and since the effective radius of the poison decreases more slowly. The special A characteristic of a poisoned hollow cylindrical pill is that it is prompt Decrease in their regular strength after consumption of the poison. This feature can be beneficial If it matters, the regulating or controlling effect of the reactor poison can be exploited to end specifically, and when it comes down to the processing of the consumed Fuel as little as possible of reactor poison is present.

Die Kurve 172 gilt für den Prall, daß die Pille als dünnwandiger Kreiszylinder ausgebildet ist, wenn also die Mittelöffnung des Kreiszylinders sehr groß ist. Die sehr geringe Neigung dieser Kurve ist durch die hohe Giftkonzentration sowie durch den praktisch konstanten Radius des Giftzylinders bedingt. Auffällig ist, daß die Regelstärke prompt abfällt, wenn das Reaktorgift prakisch verbraucht ist.The curve 172 applies to the impact that the pill is a thin-walled circular cylinder is formed, so if the central opening of the circular cylinder is very large. the very slight slope of this curve is due to the high poison concentration as well causes the practically constant radius of the poison cylinder. It is noticeable that the Control strength drops promptly when the reactor poison is practically used up.

Es wurde also beschrieben, wie abbrennbare Reaktorgifte zur Regelung oder Steuerung der Überschußreaktivität verwendet werden können, um während einer Betriebsperiode in einem Kernreaktor eine stationäre Leistungsverteilung zu erzielen, und wie man in einem Kernreaktor als Brennstoff Plutonium verwenden kann, um einmal das anfallende Plutonium besser auszunutzen und um zum anderen in der Kombination mit abbrennbaren Reaktorgiften die örtliche Leistungsverteilung innerhalb eines Reaktors gleichförmiger zu machen und den Reaktivitätsregelbereich zu erhöhen.So it was described how burnable reactor poisons to regulate or control of excess reactivity can be used during a Operating period in a nuclear reactor to achieve a steady distribution of power, and how to use plutonium as fuel in a nuclear reactor once to better utilize the accumulating plutonium and on the other hand in the combination with burnable reactor poisons the local power distribution within a To make the reactor more uniform and to increase the reactivity control range.

Claims (9)

P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s p r ü c h e 1. Reaktorkern für einen Kernreaktor mit einer Überschußreaktivität zum Beginn einer Betriebsperiode, so daß während einer vorgegebenen Betriebsperiode eine vorgegebene Reaktorleistung erzielbar ist, der in mindestens, einem Brennstoffstab eines Brennstoffbündels zwecks Regelung der Überschußreaktivität abbrennbares Reaktorgift enthält, dessen Dichte und Anordnung so gewählt ist, daß das Gift selbstabschirmend ist, daß seine Regelstärke mit dem Abbrand proportional mit der Abnahme der Reaktivität des Reaktorkerns abnimmt und daß das Reaktorgift am Ende einer Betriebsperiode aufgebraucht ist, nach dem Hauptpatent (deutsche Patentanmeldung P 19 09 109.9), d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , d a ß in unmittelbarer Umgebung des Reaktorgiftes ein Kernbrennstoff angeordnet ist, dessen Spaltungsquerschnitt größer als der Spaltungsquerschnitt desjenigen Kernbrennstoffes ist, der in einer größeren Entfernung von dem Reaktorgift angeordnet ist.1. Reactor core for a nuclear reactor with excess reactivity at the beginning of an operating period, so that during a predetermined operating period a predetermined reactor output can be achieved in at least one fuel rod a fuel bundle for the purpose of regulating the excess reactivity burnable reactor poison contains, the density and arrangement of which is chosen so that the poison is self-shielding is that its control strength with the burn-up is proportional to the decrease in reactivity of the reactor core decreases and that the reactor poison is used up at the end of an operating period is, according to the main patent (German patent application P 19 09 109.9), d a d u r c h e k e n n -z e i c h n e t, d a ß in the immediate vicinity of the reactor poison a nuclear fuel is arranged, the fission cross-section of which is greater than the fission cross-section of the nuclear fuel that is at a greater distance from the reactor poison is arranged. 2. Reaktorkern nach Anspruch 1, ,d a d ur c h g e k e n n -z e i c h n e t , d a ß das Reaktorgift und der Kernbrennstoff mit dem größeren Spaltungsquerschnitt in der gleichen Brennstoffpille enthalten sind.2. reactor core according to claim 1, d a d ur c h g e k e n n -z e i c N ot, that the reactor poison and the nuclear fuel with the larger fission cross-section are included in the same fuel pill. 3. Reaktorkern nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n;z e i c h n e t , d a ß die Dichte des Reaktorgiftes dem zu erwartenden Abbrand des Brennstoffes an der betreffenden Stelle des'Reaktorkerns proportional ist, und daß die Anzahl der Reaktorgift enthaltenden Brennstoffstäbe der anfänglichen Reaktivität an der betreffenden Stelle im Kernreaktor proportional ist, die durch das Reaktorgift zu regeln ist.3. reactor core according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e -k e n n; z It is true that the density of the reactor poison corresponds to the expected burn-up of the Fuel is proportional to the relevant point of the reactor core, and that the number of poison-containing fuel rods of initial reactivity at the point in question in the nuclear reactor is proportional to that caused by the reactor poison is to be regulated. 4. Reaktorkern nach Anspruch 2, d a d u r c h g-e k e n n -z e i c h n e t , d a ß die mit Reaktorgift versetzten Brenn stoffpillen eine Mischung aus Reaktorgift und Kernbrennstoff enthalten.4. reactor core according to claim 2, d a d u r c h g-e k e n n -z e i c Not that the poison fuel pills were a mixture Contains reactor poison and nuclear fuel. 5. Reaktorkern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß der Neutroneneintangquerschnitt des Reaktorgiftes mit der Neutronenenergie stärker abfällt als der Neutroneneintangquerschnitt des in unmittelbarer Umgebung des Reaktorgiftes angeordneten Kernbrennstoftes.5. reactor core according to one or more of claims 1 to 4, d a D u r c h e k e n n n z e i n t, that the neutron entry cross section of the Reactor poison falls with the neutron energy more strongly than the neutron entry cross section of the nuclear fuel arranged in the immediate vicinity of the reactor poison. 6. Reaktorkern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß der Neutronenwirkungsquerschnitt des Reaktorgiftes stärker abfällt, als es nach des 1/v-Gesets zu erwarten ist.6. reactor core according to one or more of claims 1 to 5, d a D u r h e k e n n n z e i c h n e t, that the neutron cross-section of the Reactor poison falls more sharply than is to be expected according to the 1 / v law. 7. Reaktorkern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die mit Reaktorgift versetzten Brennstoifpillen hohlzylindrisch ausgebildet sind.7. reactor core according to one or more of claims 1 to 6, d a It is not shown that the fuel pills mixed with poison were found are formed as a hollow cylinder. 8. Reaktorkern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß als Reaktorgift Gadolinium verwendet ist.8. reactor core according to one or more of claims 1 to 7, d a D u r c h e k e nn nn z e i c h n e t that gadolinium is used as the reactor poison is. 9. Reaktorkern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n s e i c h n e t , d a ß bei der Verwendung von Uran als Kernbrennstoff der in unmittelbarer Umgebung des Reaktorgiftes angeordnete Kernbrennstoff mit dem gröseren Spaltungsquerschnitt Plutonium ist.9. reactor core according to one or more of claims 1 to 8, d a D u n e n g e n n n s e i c h n e t, that a ß in the use of uranium as a nuclear fuel the nuclear fuel arranged in the immediate vicinity of the reactor poison with the larger fission cross-section is plutonium. Lee rseiteLee r side