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Verfahren zum Austausch von Brennstoff
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in einem leichtwassermoderierten Siedewasserreaktor Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Austausch von Brennstoff in einem leichtwassermoderierten
Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Verfahren
ist bekanntaus der DE-OS 29 20 304.
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Ein Kern in einem Kernreaktor enthält normalerweise mehrere hundert
Brennstabbündel. Jedes Brennstabbündel besteht aus einer größeren Anzahl Brennstäbe.
In Siedewasserreaktoren werden somit häufig Brennstabbündel verwendet, die 8 x 8
Brennstäbe, manchmal 6 x 6, 7 x 7 oder 9 x 9 Brennstäbe enthalten. Einer oder einige
dieser Brennstäbe kann/können auch durch inerte Stäbe oder Rohre ersetzt sein, die
eine andere Funktion haben, als Energie zu erzeugen. Jeder Brennstab besteht aus
einer großen Anzahl von Brennstofftabletten, die in einem Hüllrohr übereinandergestapelt
sind, das normalerweise aus Zirkaloy besteht. Die Brennstäbe sind in jedem Brennstabbündel
zwischen einer unteren und einer oberen Gitterplatte angeordnet, in denen bestimmte
Brennstäbe, die sogenannten tragenden Brennstäbe, verankert sind. Das Brennstabbündel
wird in Siedewasserreaktoren von einer Brennstoffhülle umschlossen,
die
normalerweise aus Zirkaloy besteht. Innerhalb der Hülle werden die Brennstäbe in
seitlicher Richtung durch Abstandshalter, die in senkrechter Richtung mit angemessenen
Zwischenräumen angebracht sind, auf gewünschtem Abstand voneinander gehalten.
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Wenn der Abbrand in einem Reaktor so weit fortgeschritten ist, daß
der kleinste akzeptable Reaktivitätsbereicht erreicht worden ist, nimmt man eine
partielle Neuladung vor. Indem man auf geeignete Weise erwägt, wieviel Brennstoff
einerseits ausgetauscht werden soll und wie groß andererseits die Anreicherung des
Ersatzbrennstoffes ist, bekommt man einen Reaktivitätssprung, der eine gewisse Energieentnahme
bis zum nächsten Brennstoffaustausch zuläßt. Bei der partiellen Neuladung eines
Siedewasserreaktors kann man beispielsweise 1/5 des Brennstoffes pro Betriebsoahr
(oder pro einer anderen zweckmäßigen Betriebsperiode) vom Ende des zweiten Betriebsjahres
an austauschen. Dies bedeutet, daß der Brennstoff in dem beschriebenen Fall 5 Jahre
lang beim Gleichgewichtszustand im Kern verbleibt, daß jedoch der Teil des Brennstoffes,
der im Anfangsstadium ausgetauscht wird, eine kürzere Zeit, und zwar etwa 3 bis
4 Jahre, verwendet wird.
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Der Austausch von Brennstoff erfolgte bisher in der Weise, daß die
Brennstabbündel aus dem Kern herausgenommen und Brennstabbündel mit neuem Brennstoff,
meistens nach einer zweckmäßigen Umpldzit ng der verbleibenden Brennstabbündel im
Kern, in entstandene freie Plätze eingesetzt wurden. Durch die Umplazierung der
Brennstabbündel soll dem Reaktor eine optimale Leistungsverteilung im Kern und eine
optimale Reaktivität verliehen werden.
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Die Brennstabbündel, die aus dem Reaktorkern herausgenommen werden,
werden
dann zwecks Ausnutzung von übriggebliebenem, verwendet barem spaltbarem Material
der Aufarbeitung zugeführt.
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Aus der DE-OS 29 20 304 ist es bekannt, im Zusammenhang mit dem Brennstoffaustausch
neue Brennstabbündel unter Verwendung von Brennstäben aus abgebrannten Brennstabbündeln
derart zusammenzu---setzen, daß der durchschnittliche Gehalt an spaltbarem Material
in dem neuen Brennstabbündel höher als in den abgebrannten ist.
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Die auf diese Weise zusammengesetzten Brennstabbündel werden dann
während einer oder einiger weiterer Betriebsperioden im Reaktor verwendet. Durch
die Weiterverwendung der abgebrannten Brennstabbündel in der genannten Weise können
sehr große Ersparnisse an Brennstoffkosten erzielt werden. Die abgebrannten Brennstabbündel,
die in dem bekannten Fall beim Zusammensetzen des neuen Brennstabbündels verwendet
werden, haben für leichtwassermoderierte Siedewasserreaktoren, für die Urandioxid
und eventuell Plutoniumdioxid als Brennstoff verwendet wird, einen Gehalt an spaltbarem.Material
in Form von U 235, Pu 239 und Pu 241 von höchstens 1,75 % des Anfangsgewichtes vo
Uran und eventuell Plutonium im Brennstoff. Aus der DE-OS 29 20 304 ist cs atch
bekannt, beim Zusammensetzen eines neuen Brennstabbündels in einem Teil der Positionen
für Brennstäbe wassergefüllte Rohre anstelle von Brennstäben anzuordnen, um dadurch
das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff und somit die Möglichkeiten zu vergrößern,
restliches spaltbares Material zu verwenden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein gangs
genannten Art zu entwickeln, bei dem eine vergrößerte Einsparung an Brennstoffkosten
erzielt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist in dem Unteranspruch
genannt.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß es unter gewissen Voraussetzungen-möglich
ist, die Brennstoffkosten dadurch erheblich zu senken, daß man den Brennstoffaustausch
vornimmt, bevor die Brennstabbündel abgebrannt sind, d.h. dann, wenn sie partiell
abgebrannt sind. Große Ersparnisse können dabei unter der Voraussetzung erzielt
werden, daß der Reaktor bei der Inbetriebsetzung mit einem niedrigeren Volumenverhältnis
Wasser/Brennstoff als normal versehen wird, daß eine Anzahl von Brennstäben mit
einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material durch Brennstäbe mit einem höheren
Gehalt an spaltbarem Material ersetzt wird und daß eine Anzahl von Brennstäben in
dem betreffenden Brennstabbündel durch wassergefüllte Rohre ersetzt wird.
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Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff ist eine vereinfachte Größe
zur Beschreibung der moderierenden. Eigenschaften des Brennstoffgitters. Dieses
Volumenverhältnis wird dadurch berechnet, daß man die Summe aller im Kern vorkommender
Volumina, die normaierweise vom Kühlmittel und dem Moderator (Wasser) eingenommen
werden, durch die Summe aller Volumina dividiert,die von Brennstoff (Urandioxid
und eventuell Plutoniumdioxid) eingenommen werden. Bei der Bestimmung des Kühlmittelvolumens
wird das Sieden dadurch berücksichtigt, daß das vom Dampf eingenommene Volumen
abgezogen
wird.
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Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff beträgt bei der Inbetriebnahme
eines leichtwassermoderierten Siedewasserreaktors mit Urandioxid und eventuell Plutoniumdioxid
als Brennstoff normalerweise 1,90 - 2,10.
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Bei einer optimalen- Ausnutzung des Brennstoffes in dem neuen Brennstabbündel
werden die Ersatzstäbe und die Wasserrohre so plaziert, daß der interne Leistungsformfaktor
des neuen Brennstabbündels, d.h. der Quotient aus dem höchsten örtlichen Wert der
Leistung und dem Durchschnittswert der Leistung in einem horizontalen Schnitt durch
das Brennstabbündel, bei mindestens 1,20, vorzugsweise bei 1,30 bis 1,50 liegt.
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Um das neue Brennstabbündel für das Verfahren nach der Erfindung herzustellen,
können die Brennstäbe mit einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material durch Brennstäbe
mit einem höheren Gehalt an spaltbarem Material aus demselben Brennstabbündel ersetzt
werden. Die Brennstäbe mit niedrigem Gehalt an spaltbarem Material liegen, außer
möglicherweise in Ausnahmefällen, an den Wasserspalten um das Brennstabbündel herum,
und Brennstäbe mit höherem Gehalt an spaltbarem Material liegen zumindest normalerweise
in zentraleren Bereichen des Bündels. Die Brennstäbc, welche die Brennstäbe mit
einem niedrigen Gehalt an spaltbarem Material ersetzen, können auch einem anderen
Brennstabbündel entnommen werden als demjenigen, aus dem die zu ersetzenden Brennstäbe
herausgenommen werden.
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Aus C,rürzden der llandhabt3ng ist es vorteilhaft, wenn die Positionen
der Brennstäbe, die einen höheren Gehalt an spaltbarem Material haben und zum Ersatz
von Brennstäben mit niedrigem Gehalt an spaltbarem Material verwendet werden, mit
wassergefüllten Rohren besetzt werden oder einfach frei gelassen werden.
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Beim Zusammenstellen eines neuen Brennstabbündels nach der Erfindung
können ferner anstelle eines oder mehrerer Brennstäbe in einem Teil der Positioiieri
für Brennstäbe im Brennstabbündel Stäbe oder Rohre plaziert werden, die brennbares
Neutronenabsorbermaterial, wie z.B. Gadolinium, Bor oder Samarium, in einem geeigneten
Trägermaterial, wie Urandioxid, Zirkaloy oder Stahl verteilt, enthalten. Auf diese
Weise kann man eine verstärkte Reaktivitätskontrolle während des anfänglichen Teils
der Betriebsperiode erreichen und gleichzeitig am Ende der Betriebsperiode eine
günstige Wirkung erhalten, die gleichartig mit der eines wassergefüllten Rohres
ist.
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Um die Erfindung in vollem Umfang auszunutzen, müssen beim Brennstoffaustausch
mehrere (zehn oder mehr) partiell abgebrannte Brennstabbündel im Reaktor durch Brennstoffbündel
ersetzt werden, die nach der Erfindung zusammengestellt sind. Vom neutronenwirtschaftlichen
Gesichtspunkt aus ist es vorteilhaft, einen-Umbau der Brennstabbündel gemäß der
Erfindung mehr als einmal während ihrer Verwendung im Reaktor vorzunehmen.
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Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles eines
Brennstabbündels soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigen
Figur 1 einen Teil eines horizontalen Schnittes
durch einen Reaktorkern für einen leichtwassermoderierten Siedewasserreaktor, Figur
2 ein Brennstabbündel im Reaktorkern gemäß Figur 1, wobei der Anfangsgehalt an spaltbarem
Material, bestehend aus U 235, für jeden Brennstab angegeben ist, Figur 3 das Brennstabbündel
gemäß Figur 2 nach drei Betriebsjahren unter Angabe des Gehaltes an spaltbarem Material
in Form von U 235 und in Form der Gesamtmenge von Pu 239 und Pu 241, Figur 4 ein
Brennstabbündel, das durch Umbau des Brennstabbündels gemäß Figur 3 im Sinne der
vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
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Figur 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt eines horizontalen Schnittes
durch den Reaktorkern eines Siedewasserreaktors mit vertikalen Brennstabbündeln.
Der Schnitt zeigt neun ganze Brennstabbündel 10.
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Die Gesamtzahl der Brennstabbündel in dem vollständigen Querschnitt
beträgt mehrere hundert. Wie beispielsweise für das Brennstabbündel 10a dargestellt,
ist jedes Brennstabbündel aus 64 Brennstäben 11 aufgebaut, die in einem quadratischen
Gitter angeordnet sind. Das Brennstabbündel ist von einer Brennstoffhülle 12 aus
Zirkaloy-4 mit quadratischem Querschnitt umgeben. Die Stäbe werden von licht gezeigten
Abstandshaltern in ihrer Lage gehalten, die mit gleiche Abstand zwischen ebenfalls
nicht gezeigten unteren und oberen Gitterplatten im Brennstabbündel plaziert sind.
Jeder Brennstab besteht aus einer Anzahl Tabletten aus Urandioxid als Brennstoff,
die aufeinandergestapelt und in einem Rohr 13 aus Zirkaloy-2 eingekapselt sind.
Die freien Räume 14 zwischen und um den Brennstäb
Ltl in der. IJrerlnstofShülle
werden von Kühlmittel, im vorliegenden Falle leichtes Wasser, durchströmt. Die Spalte
15a und 15b zwischen den Brennstabbündeln werden auch von Kühlmittel gleicher Art
durchströmt. Die Spalte 15b, in die Steuerstäbe 16 eingeführt werden können, sind
breiter als die Spalte 15a, in denen keine Steuerstäbe vorgesehen sind. Der Querschnitt
enthält auch Neutronenquellen 17 sowie Neutronendetektoren 18. Einer oder mehrere
der Brennstäbe kann/können, wie eingangs bereits erwähnt, gegen einen keine Energie
erzeugenden Stab ausgetauscht werden. Somit könnte beispielsweise der Stab 19 gegen
einen massiven oder mit Wasser gefüllten Stab aus Zirkaloy-2 ausgetauscht werden.
Die Brennstäbe 20, 21, 22 und 23 sind an unteren und oberen Gitterplatten im Brennstabbündel
verankert. Die gestrichelten Linien AB und AC unterteilen die Spalte 15b in der
Mitte, und die gestrichelten Linien BD und CD unterteilen die Spalte 15a in der
Mitte. Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff ist unter Bezugnahme auf Figur 1
das Verhältnis zwischen der Summe aus den Volumina der Räume 14 (für Sieden kompensiert),
den Volumina von zwei halben Spalten 15a, den Volumina von zwei halben Spalten 15b
und den Volumina des Wassers in eventuellen mit Wasser'gefüllten Stäben 19 einerseits
und der Summe aus den Tablettenvoluminä in sämtlichen brennstoffträgenden Stäben
11 andererseits.
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Der Abstand der Brennstäbe untereinander wird vor allem durch die
reaktorphysikalischen Forderungen hinsichtlich optimaler Neutronenwirtschaftlichkeit
und durch die neutronenmultiplizierenden Eigpnschaften des Kerns bestimmt. Bei der
Wahl des Stababstandes wi13 auch Rücksicht auf die Wirkung des zusätzlichen Wassers
in den Spalten zwischen den Brennstabbündeln genommen, was von grosser
Bedeutung
für die örtliche Verteilung des Neutronenflusses ist. Dieses Wasser verursacht einen
örtlich erhöhten Neutronenfluß, so daß Brennstäbe, die an Wasserspalten liegen,
stärker belastet werden als andere Brennstäbe. Um die Leistungsverteilung im Brennstabbündel
soweit wie möglich auszugleichen, werden Brennstäbe mit unterschiedlich starker
Anreicherung an spaltbarem Material, in dem beschriebenen Fall an U 235, in verschiedenen
Positionen des Brennstabbündels verwendet. Figur 2 zeigt als Beispiel ein Brennstabbündel
mit unterschiedlichen Initialgehalten von U 235 in verschiedenen Brennstäben, ausgedrückt
in Prozent des Änfangsgewichtes von Uran im Brennstoff (Urandioxid).
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(Die nachstehend genannten Zahlen betreffen ebenfalls Prozentsätze
des Anfangsgewichtes Uran im Brennstoff). Die Durchschnittsanreicherung liegt bei
2,75 %. Beim Zusammensetzen des Brennstabbündels werden vier verschiedene Anreicherungsstärken
verwendet, und zwar 1,18 %, 2,02 %, 2.,80 % und 3,50 %. In der mit 19 bezeichneten
Position ist ein massiver Stab aus Zirkaloy-2 angeordnet. Das Volumenverhältnis
Wasser/Brennstoff im Brennstabbündel ist 1,80. Zur übersichtlicheren Darstellung
sind in deh Figuren 2 bis 4 die Brennstäbe selbst nicht dargestellt, sondern nur
deren Anreicherungsprozentsätze angegeben.
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Figur 3 zeigt dasselbe Brennstabbündel nach drei Betriebsjahren.
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Die obere, mit 24 bezeichnete Ziffer jedes Feldes nennt den Anreicherungsgehalt
an U 235 in Prozent und die mit 25 bezeichnete untere Ziffer nennt den gesamten
Anreicherungsgehalt an Pu 239 und Pu ?4 1 in Pro"ent für jeden Bronnstab im Brennstabbündel.
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Das Plutonium wurde während des 1eÜr'i c'b. durch Einfangen schneller
Neutronen in ti ;?33 gebilde- 1. Der früher erwähnte höhere Neutronenfluß
und
die damit zusammenhängende höhere Leistung in den Stäben an den Wasserspalten 15a
und 15b hat, wie man sieht, zur Folge, daß das spaltbare Material, vor allem Ü 235,
Pu 239 und Pu 241, hier schneller verbraucht wird,-als in den zentralen Teilen des
Brennstabbündels. Dieses verstärkt mit der Zeit die anfänglich vorhandene Anreicherungsverteilung,
und die Leistung im Brennstabbündel wird ausgeglichen. Der Durchschnittsgehalt an
U 235, der anfänglich bei 2,75 % lag, liegt nach drei Betriebsjahren bei 1,51 %,
und der Durchschnittsgehalt der gesamten Menge Pu 239 (0,40 %) und Pu 241 (0,04
? liegt bei 0,44 %.
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Die Spaltung eines U 235-Kerns und eines Pu-Kerns ergibt ungefähr
dasselbe Leistungsergebnis. Die Menge spaltbaren Materials ist somit von 2,75% auf
ungefähr 1,95 % reduziert worden.
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Das restliche spaltbare Material ist auch in anderer Weise auf die
Brennstäbe des Brennstabbündels verteilt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Brennstabbündel nach Figur
3 durch die nachstehenden Schritte umgebaut, wobei man das Brennstabbündel nach
Figur 4 erhält: Der Brennstab 31 wird durch den Brennstab 32 ersetzt II " 32 " "
ein mit Wasser gefülltes Rohr 33 ersetzt " " 34 " " den Brennstab 35 ersetzt II
" 35 " " den Brennstab 36 ersetzt II lt 36 " " ein mit Wasser gefülltes Rohr 37
ersetzt 38 rr 38 den Brennstab 39 ersetzt II 39 " den Brennstab 40 ersetzt
Der
Brennstab 40 wird durch ein mit Wasser gefülltes Rohr 41 ersetzt " " lt 42 " " den
Brennstab 43 ersetzt " " Lt 43 t' 11 ein mit Wasser gefülltes Rohr 44 ersetzt lt
lt 45 " " den Brennstab 46 46 ersetat t " lt 46 " " . ein mit Wasser gefülltes Rohr
47 ersetzt lt " 48 " " den Brennstab 49 ersetzt lt " 49 " " ein mit Wasser gefülltes
Rohr 50 ersetzt lt 51 " " den Brennstab 52 ersetzt " " 52 " " ein mit Wasser gefülltes
Rohr 53 ersetzt II II 54 " 11 den Brennstab 42 ersetzt II " 55 " " den Brennstab
45 ersetzt.
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Dies bedeutet, daß die Brennstäbe 31, 34, 38, 48, 51, 54 und 55 aus
dem Brennstabbündel nach Figur 3 herausgenommen werden, daß die Brennstäbe 32, 35,
36, 39, 40, 42, 43, 45, 46, 49 und 52 in neue Positionen indem genannten Brennstabbündel
gebracht werden und daß wassergefüllte Rohre 33, 37, 41, 44, 47,50 und 53 in Positionen
gebracht werden, aus denen Brennstäbe herausgenommen wurden. Hierdurch erhält man
das rekonstruierte Brennstabbündel gemäß Figur 4. Beim Zusammensetzen des Brennstabbündels
nach Figur 4 sind zum überwiegenden Teil solche Brennstäbe im Brennstabbündel nach
Figur 3 ersetzt worden, die unmittelbar an breiten Wasserspalten 15b liegen und
wo die Anreicherung an spaltbarem Material am niedrigsten ist. Der Austausch hat
zur Folge,
daß der Durchschnittsgehalt an spaltbarem Material von
1,51 % für U 235 und 0,44 % für Pu 239 und 241 zusammen in den Brennstäben nach
Figur 3 auf 1,61 % für U 235 und auf 0,44 % für Pu 239 und Pu 241 zusammen erhöht
wird.
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Der interne Leistungsformfaktor für das Brennstabbündel nach Figur
4 beträgt 1,50, wobei auch darauf Rücksicht genommen wurde, daß die Anzahl der Energie
erzeugender Stäbe kleiner wird.
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Das Volumenverhältnis Wasser/Brennstoff beträgt 2,25. Die Brennstabbündel
gemäß Figur 4 lt kötinen wenigstens 10 % mehr Energie erzeugen als ein nicht umgebautes
Brennstabbündel gemäß Figur 3, was eine entsprechende Senkung der Brennstoffkosten
für den Reaktor zur Folge hat.
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Ein oder mehrere Wasserrohre oder Brennstäbe im Brennstabbündel gemäß
Figur 4 kannSkönnen durch einen Stab bzw. Stäbe ersetzt werden, die einenbrennbaren
Neutronenabsorber, z.B. gadolinium, verteilt in Urandioxid oder Zirkaloy, als Trägermaterial
enthalten.
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