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Beschreibung
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Kernbrennstoffbündel mit axial zonenförmiger Anreicherung Die vorliegende
Erfindung bezieht sich allgemein auf Kernreaktoren und mehr im besonderen auf eine
Brennstoffbündel-Anordnung für einen Siedewasserreaktor.
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In einem Kernbrennstoffreaktor absorbiert ein Atom eines spaltbaren
Kernbrennstoffes, wie U235, ein Neutron in seinem Kern und erleidet eine Kernspaltung,
die im Durchschnitt zwei Spaltfragmente geringeren Atomgewichtes mit großer kinetischer
Energie und mehrere Neutronen ebenfalls hoher Energie erzeugt.
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In einem typischen Siedewasserreaktor (Englisch abgekürzt BWR") liegt
der Kernbrennstoff in Form von Kernbrennstoffstäben vor, deren jeder eine Vielzahl
gesinterter Pellets enthält, die in einem langgestreckten Umhüllungsrohr eingeschlossen
sind. Gruppen solcher Brennstoff stäbe sind durch obere und untere Halteplatten
abgestützt und bilden separat ersetzbare Kernbrennstoffbündel.
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Eine ausreichende Zahl solcher Kernbrennstoffbündel ist in einer Matrix
angeordnet, die einem rechtwinkligen kreisförmigen Zylinder angenähert ist, um den
Kern des Kernreaktors zu bilden, der zu einer selbst aufrechterhaltenen Spaltreaktion
in der Lage ist.
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Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird als Wärme in den Kernbrennstoffstäben
verteilt. Weiter wird Energie durch die Neutronen, Gammastrahlen und andere Strahlung,
die sich
aus dem Spaltprozeß ergibt, in der Brennstoffstruktur und
in dem Moderator abgelagert. Der gesamte Kern ist in ein Kühlmittel eingetaucht,
das z.B. Wasser sein kann, und das die Wärme entfernt, die dann zur Leistung brauchbarer
Arbeit extrahiert werden kann. Ist das Kühlmittel Wasser, dann wirkt es auch als
Neutronenmoderator, der die Neutronen verlangsamt, so daß sie eine weitere Spaltungsreaktion
in Gang setzen können.
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Der üblicherweise benutzte Kernbrennstoff für mit Wasser gekühlte
und moderierte Kernreaktoren umfaßt Urandioxid, von dem etwa 0,7 bis etwa 5 Gew.-%
spaltbares U235 sind, gemischt mit brütbaren U238. Währenddes Reaktorbetriebes wird
ein Teil des brütbaren U238 in spaltbares Pu239 und Pu241 umgewandelt. Das U238
ist auch spaltbar, jedoch nur für Neutronen hoher Energie. Das Verhältnis an spaltbarem
Material, das erzeugt wird, wie das genannte Pu239 und Pu241, zum spaltbaren Material,
das durch die Spaltung zerstört wird, wie U235, Pu239 und Pu241 ist als das "Umwandlungsverhältnis"
definiert.
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Soll der Reaktor auf einem stetigen Leistungsniveau betrieben werden,
dann muß die Zahl der durch die Spaltung gebildeten Neutronen konstant bleiben.
Das heißt, jede Spaltreaktion muß netto ein Neutron erzeugen, das eine nachfolgende
Spaltungsreaktion einleitet, so daß der Betrieb sich selbst aufrechterhält. Der
Betrieb ist charakterisiert durch einen effektiven Multiplikationsfaktor keff, der
für einen stetigen Betrieb eins sein muß. Es ist zu bemerken, daß der effektive
Multiplikationsfaktor keff der Neutronenreproduktionsfaktor des Kernreaktors als
Ganzes ist, und daß dieser zu unterscheiden ist von dem lokalen oder unendlichen
Multiplikationsfaktor kino, der eine Neutronenreproduktion eines unendlich großen
Systems definiert, das die gleiche Zusammensetzung und die gleichen Eigenschaften
hat, wie der lokale Bereich des in Frage stehenden Reaktorkernes.
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Während des Betriebes verarmt der spaltbare Brennstoff und einige
der Spaltprodukte sind sogar Neutronenabsorber oder Gifte. Um dies auszugeichen,
ist der Reaktor normalerweise mit einem anfänglichen überschuß an Kernbrennstoff
versehen, der zu einer anfänglichen Uberschußreaktivität führt. Diese anfängliche
Uberschußreaktivität erfordert ein Steuersystem, um den effektiven Multiplikationsfaktor
während des Reaktorbetriebes bei eins zu halten, und ihn unter eins zu vermindern,
falls erforderlich ist, den Reaktor abzuschalten. Das Steuersystem nutzt üblicherweise
neutronenabsorbierendes Material, das die Neutronenerzeugung durch Absorption von
Neutronen steuert, die keine Spaltung zur Folge haben.
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Zumindest ein Teil des neutronenabsorbierenden Materials wird in eine
Vielzahl selektiv betätigbarer Steuerstäbe eingeführt, die vom Boden des Kernes
aus nach Bedarf axial eingeführt werden, um das Leistungsniveau und die -verteilung
einzustellen, oder den Kern abzuschalten. Abbrennbare Absorber können in einige
der Kernbrennstoffstäbe eingeführt werden, um die Menge an erforderlicher mechanischer
Steuerung möglichst gering zu halten. Ein abbrennbarer Absorber ist ein Neutronenabsorber,
der durch Neutronenabsorption in ein Material umgewandelt wird, das weniger fähig
ist, Neutronen zu absorbieren. Ein bekannter abbrennbarer Absorber ist Gadolinium,
üblicherweise in Form von Gadoliniumoxid. Die ungradzahligen Isotopen des Gadoliniums
(Gd155 und Gd157) haben sehr große Einfangquerschnitte für thermische Neutronen.
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Die verfügbaren abbrennbaren Absorber weisen eine unerwünschte Neutronenabsorption
gegen Ende des Brennstoff zyklus auf, da sie sich in neutronenabsorbierende Isotope
umwandeln, die geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte aufweisen.
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So verarmt Gadolinium, wenn es als abbrennbarer Absorber benutzt wird,
zwar rasch an den einen hohen Einfangquerschnitt aufweisenden Isotopen Gd155 und
Gd157, doch es bleibt eine Restabsorption durch die geradzahligen Gadoliniumisotope
Gd154, Gd156 und Gd158
Wie bekannt, arbeiten abbrennbare Absorber,
wie Gadolinium, in einer selbstabgeschirmten Weise, wenn sie in ausreichender Konzentration
vorhanden sind. Das bedeutet, daß wenn man sie dem Neutronenfluß aussetzt, die Neutronenabsorption
im wesentlichen an der äußeren Oberfläche des Absorber enthaltenden Stabes stattfindet,
so daß das Absorbervolumen radial mit einer Geschwindigkeit schrumpft, die von der
Konzentration des Absorbers abhängt. Es ist so möglich1 durch eine geeignete Auswahl
der Zahl der Absorber enthaltenden Stäbe und der Absorberkonzentrationen darin,
eine erwünschte Variation des Absorptionswertes über ein oder mehrere Betriebszyklen
des Reaktors zu schaffen.
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Während des Reaktorbetriebes nimmt der Prozentgehalt von Dampfblasen
gegen den oberen Teil des Kernes hin zu. Dies führt zu einer verminderten Moderation
in diesen oberen Bereichen des Kernes und somit zu einer Leistungsverteilung, die
gegen die unteren Bereiche des Kernes hin zunimmt.
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Es ist bekannt, dies dadurch zu kompensieren, daß man den abbrennbaren
Absorber axial inhomogen verteilt. Es wird eine Anzahl von Kernbrennstoffstäben
mit abbrennbarem Absorber bereitgestellt, dessen Verteilung derart ist, daß sie
in Richtung auf den axialen Bereich mit dem Reaktivitätsmaximum im heißen Betriebszustand
hin zunimmt. Eine typische Konfiguration hierfür ist in der US-PS 3 799 839 beschrieben.
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Ein anderes Herangehen ist in der US-PS 4 244 784 gezeigt, in der
eine axiale Leistungsspitze zu einem gewissen Ausmaß durch eine erhöhte U235-Anreicherung
oder eine Plutoniumkonzentration in den oberen Bereichen des Kernes kompensiert
ist.
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Für den kalten abgeschalteten Zustand ist die Situation jedoch völlig
anders. Im kalten Zustand ist der obere Teil eines bestrahlten Kernes eines Siedewasserreaktors
reaktiver als der Bodenteil wegen der größeren Plutoniumerzeugung und
der
geringeren U235-Zerstörung während des Betriebes im oberen Teil (größeres Umwandlungsverhältnis
und geringerer Abbrand im oberen Teil des Kernes). Im kalten abgeschalteten Zustand
sind die Dampfblasen im oberen Teil des Kernes beseitigt und machen so den'oberen
Teil des Kernes reaktiver als den Bodenteil. Typische Standards erfordern einen
Reaktivitäts-Abschaltspielraum von 0,38 % (keff kleiner als 0,9962), wobei irgendein
Steuerstab sich außerhalb des Kerns befindet. Um einen Spielraum für Vorhersage-Unsicherheiten
zu haben, wird üblicherweise ein vorhergesagter Abschaltspielraum von 1 % (keff
weniger als 0,99), der durch die Steuerstäbe und die abbrennbaren Absorber zu liefern
ist, als Grundlage für den Entwurf des Reaktorkernes benutzt.
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Während das axiale Leistungsprofil durch Bereitstellung größerer Mengen
von abbrennbarem Absorber oder einer verminderten Anreicherung in den unteren Abschnitten
des Reaktorkernes in gewünschter Weise eingestellt werden kann, führt die optimale
Absorber- und Kernbrennstoffverteilung für ein optimiertes axiales Leistungsprofil
doch nicht zu einem angemessenen Spielraum für den kalten abgeschalteten Zustand.
Um die Anforderungen für den kalten abgeschalteten Zustand zu erfüllen, ist es üblicherweise
erforderlich, einen Über schuß an abbrennbaren Absorberresten zu berücksichtigen,
der die Anforderungen an die anfängliche Anreicherung und das Uranerz erschwert
und die Kosten für den Brennstozyklus des Reaktors erhöht.
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Ein weiteres Problem besteht darin, daß Gadoliniumbxid die thermische
Leitfähigkeit der Brennstoffstäbe vermindert und die Abgabe von Spaltgas erhöht.
Die Gadoliniumoxid enthaltenden Stäbe sind daher häufig die am meisten beschränkenden
Stäbe in dem Kernbrennstoffbündel und müssen daher in einem Bereich des Reaktors
angeordnet sein, der ein geringeres Leistungsniveau hat, was sich nachteilig auf
die örtliche Leistungsverteilung auswirkt. Der Anteil der Leistungsverminderung,
der erforderlich ist, hängt von der Gadoliniumoxidkonzentration
ab,
wird jedoch ein ernstes Problem in Brennstoffbündeln für ausgedehnten Abbrand und/oder
für Zyklen hoher Energie, bei denen erhöhte Gadoliniumoxid-Konzentrationen erforderlich
sind, um einen angemessenen Spielraum für den kalten abgeschalteten Zustand zu schaffen.
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Die für den heißen Betriebs zustand und den kalten abgeschalteten
Zustand erforderlichen Spielräume erfordern somit im Wettbewerb stehende Einschränkungen
bei dem Entwurf des Reaktorkernes und haben daher das Erreichen einer optimalen
Kernkonfiguration verhindert.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Konfiguration eines
Kernbrennstoffbündels, die es gestattet, den Spielraum für den kalten abgeschalteten
Zustand zu erfüllen, wobei nur minimale Nachteile für die Betriebswirksamkeit in
Kauf zu nehmen sind. Die Erfindung kann mit nur geringer oder keiner Notwendigkeit,
spezielle Brennstoffpellets oder ähnliches zu verwenden, ausgeführt werden.
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Allgemein weist ein Kernbrennstoffbündel gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Komponente aus spaltbarem Material auf, die über eine beträchtlichsaxiale Ausdehnung
des Brennstoffbündels verteilt ist, wobei der Brennstoff eine relativ verminderte
Anreicherung in einer crxialen'Zone (der "Zone verringerter Anreicherung") in einem
oberen Bereich aufweist, wobei diese Zone zumindest einem Teilabschnitt des axialen
Bereiches entspricht, in dem die Reaktivität im kalten abgeschalteten Zustand einen
Maximalwert hat.
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Das Kernbrennstoffbündel umfaßt typischerweise eine erste Untergruppe
von Kernbrennstoffstäben mit verminderter Anreicherung in der Zone verminderter
Anreicherung sowie eine zweite Untergruppe von Kernbrennstoffstäben mit gleichmässiger
Anreicherung entlang ihrer axialen Ausdehnung. Um die Anzahl von Kernbrennstoffstäben,
die durch eine nichtgleichmäßige
axiale Anreicherung charakterisiert
sein müssen, möglichst gering zu halten ist es bevorzugt, daß die erste Untergruppe
einen der am höchsten angereicherten Kernbrennstoffstäbe des Kernbrennstoffbündels
enthält0 Die Anreicherung in der Zone verminderter Anreicherung entspricht vorzugsweise
der Anreicherung einiger der gleichmäßig angereicherten Kernbrennstoffstäbe. Auf
diese Weise können die Kernbrennstoffstäbe der ersten Untergruppe aus Brennstoffpellets
hergestellt werden, die die auf Lager befindliche Anreicherung aufweisen.
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Die Zone verminderter Anreicherung führt zu einer etwas höheren axialen
Leistungsspitze in Richtung auf den unteren Teil des Kernbrennstoffbündels, doch
kann dies durch eine größere Konzentration an abbrennbarem Absorber in einer entsprechenden
unteren Zone ausgeglichen werden. Eine mittlere Zone ist charakterisiert durch die
höhere Anreicherung und einen geringeren Gadoliniumgehalt und ergibt so den Abschnitt
des Kerns mit der höchsten Reaktivität.
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Die Zone verminderter Anreicherung hat die Auswirkung, daß die Reaktivität
im kalten abgeschalteten Zustand vermindert wird, während die Uberschuß-Reaktivität
im heißen Betriebszustand nur sehr wenig beeinflußt wird. Auf diese Weise wird daher
ein wirlcsfflmerer Gebrauch vom Brennstoff gemacht, so daß der jeweilige Zyklus
mehr Energie aus der gleichen Menge an U235 liefern kann, die in das Kernbrennstoffbündel
eingeführt ist. Die größere Steuerabweichung, die durch die vorliegende Erfindung
ermöglicht wird, gestattet eine merkliche ungepiante Variation hinsichtlich der
Energie des jeweiligen Zyklus was eine Flexibilität beim Betrieb des Reaktors unabhängig
von der ursptrdnglich gepianten Energie des Zyklus gibt.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines mit Wasser gekühlten und moderierten Kernreaktors, Fig. 2 eine schematische
Ansicht des allgemeinen Layout für den Kern des Kernreaktors, Fig. 3 eine vereinfachte,
teilweise weggeschnittene isometrische Ansicht einer der Brennstoffzellen im Kern,
Fig. 4A und 4B schematische Ansichten der Querverteilung der Kernbrennstoffstäbe
in Kernbrennstoffbündeln, Fig. 4C eine schematische Ansicht der Zusammensetzung
verschiedener Arten von Brennstoffstäben in den Bündeln der Fig. 4A und 4B in Längs-
bzw. axialer Richtung, Fig. 5A und 5B zeigen die quergemittelte Zusammensetzung
der Kernbrennstoffbündel der Fig. 4A und 4B in Längsrichtung, Fig. 6A, 6B, 6C zeigen
Kurven der relativen Leistung im heißen Betriebszustand zu Beginn, in der Mitte
und am Ende des Zyklus, Fig. 7A, 7B, 7C zeigen Kurven der relativen Leistung im
kalten abgeschalteten Zustand am Beginn, in der Mitte und am Ende des Zyklus, Fig.
8 zeigt Kurven des effektiven Multiplikationsfaktors keff über einen Betrievszvklas
sowohl für die heißen Betriebs- und die kalten abgeschalteten Zustände und Fig.
9A bis 9L zeigen andere Zusammensetzungen für ein Kernbrennstoffbündel.
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In Fig. g ist schematisch eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht
eines mit Wasser gekühlten und moderierten Kernreaktorsystems 10 vom Siedewassertyp
gezeigt. Das System schließt einen Druckkessel 11 ein, in dem sich ein Reaktorkern
12 befindet, der in einen Kühlmittel-Moderator, wie
leichtes Wasser
, eingetaucht ist0 Der Kern 12 umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffzellen 13, die
von einer ringförmigen Umhüllung 14 umgeben sind Jede Brennstoff zeile schließt
vier Kernbrennstoffbündel 15 und einen Steuer##ab 16 ein Die Brennstoffzellen sind
durch ein oberes Kergitter 18 und eine untere Kernplatte 19 im Abstand voneinander
gehalten und an ihren jeweiligen Bodenteilen durch geeignete Halterungen 20 abgestützt.
Die Steuerstäbe können selektiv zwischen die Kernbrennstoffbündeleingeführt werden,
um die Feaktivität des Kerns zu steuern. Verbunden mit jedem Swenerstab ist ein
Führungsrohr 21, das den Steuerstab führt, wenn er nach unterhalb des Kernes herausgezogen
wird0, Fig0 2 gibt eine schematische Darstellung der Art und Weise, in der die Brennstoffzellen
13 innerhalb des Kernes 12 angeordnet sind. Ein typischer Kern würde in der Größenordnung
von 300 bis 900 Kernbrennstoffbündel enthalten0 Der Teil des Druckkessels 11 unterhalb
des Kerns 112 begrenzt eine Kühlmittel-Zuführungskammer 22, während der Teil des
Druckkessels 11 oberhalb des Kernes eine Anordnung 25 zum Abtrennen und Trocknen
des Dampf es enthält. Beim Betrieb setzt eine Kühlmittel-Zirkulationspumpe 27 das
in der Zuführungskammer 22 befindliche Kühlmittel unter Druck und drückt es durch
den Kern 12 nach oben. Das Kühlmittel absorbiert die Wärme, die durch die innerhalb
des Kernes ablaufende Spaltreaktion erzeugt wird, und dabei wird ein Teil des Kühlmitteis
in Dampf umgewandelt, der durch die Anordnung 25 zu einer Nutzungsvorrichtung2 wie
einer Turbine 30 gelangen Ein Kondensator 322 der sich in einer Reihe mit der Turbine
30 befindet2 kondensiert den von der Turbine abgegebenen Dampf, und man führt das
Kondensat als Zuführungswasser mittels einer Kondensat-Rückführpumpe 35 zur Einlaßseite
der Kühlmittel-Zirkulationspumpe 27 zurück In Fig0 3 ist die Struktur einer der
Brennstoff zellen 13 ersichtlich Der Steuerstab 16 hat im Querschnitt ein kreuzförmiges
Profil und bildet Steuerblätter 40, deren jedes zwischen zwei benachbarten Kernbrennstoffbündeln
liegt
Jedes Kernbrennstoffbündel 15 umfaßt eine Vielzahl langer
Kernbrennstoffstäbe 42, die zwischen einer oberen und einer unteren Halteplatte
45 und 46 gehaltert sindßund die Gesamtzahl der Kernbrennstoff stäbe wird von einem
rohrförmigen Strömungskanal 48 rechteckigen Querschnitts umgeben. Der untere Abschnitt
des Kernbrennstoffbündels ist mit einer Nase 50 mit Öffnungen 52 versehen, durch
die das Kühlmittelwasser eintritt und innerhalb des Strömungskanales 48 längs der
Kernbrennstoff stäbe 42 nach oben strömt. Die Nase 50 ist so ausgebildet, daß sie
in eine entsprechend ausgebildete, nicht-dargestellte Ausnehmung in den Trägern
20 für die Kernbrennstoffbündel paßt.
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Jeder Kernbrennstoffstab kann aus einem zylindrischen Umhüllungsrohr
bestehen, das eine Vielzahl gesinterter Pellets aus angereichertem Uran- und/oder
Plutoniumoxid-Brennstoff enthält. Die Anreicherung variiert innerhalb eines Kernbrennstoffbündels
von Stab zu Stab im allgemeinen innerhalb eines Bereiches von etwa 0,7 bis 5 Gew.-%
spaltbarem Material, um im Mittel etwa 1,5 bis 3,5 Gew.-% bereitzustellen, wobei
natürliches Uran eine Anreicherung von 0,7 Gew.-% aufweist.
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Die Kernbrennstoffstäbe können einen Durchmesser von etwa 1,25 cm
und eine Länge von etwa 3,60 bis etwa 4,50 m haben.
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Die Fig. 4A und 4B zeigen schematische Ansichten der horizontalen
Verteilung der Brenns;ofçståbe in zwei Arten von Kernbrennstoffbündeln gemäß der
vorliegenden Erfindung, die zum Nachladen vorgesehen sind. Diese beiden Arten unterscheiden
sich hauptsächlich durch die Zahl Gadoliniumoxid enthaltenden Kernbrennstoffstäbe
und ein typischer Kern wird beide Arten von Kernbrennstoffbündeln enthalten. Die
Brennstoff stäbe 42 sind in einer 8 x 8 -Matrix angeordnet, wobei zwei der zentralen
Plätze für Brennstoffstäbe von Wasserkanälen 55 eingenommen sind. Jeder Kernbrennstoffstab
ist als ein Kreis mit einer darin befindlichen Codezahl von 1 bis 8 versehen.
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Die Fig 4C veranschaulicht die longitudinale Zusammensetzung der acht
Arten von Brennstoffstäben. Jeder Stab hat eine Abdeckung aus natürlichem Uran in
einer obersten, etwa 15 cm dicken Zone 60, doch wird diese Abdeckung bei der folgenden
Erläuterung nicht weiter erwähnt. Die Stabarten 2 bis 8 sind durch eine axial gleichmäßige
Anreicherung (mit Ausnahme der vorerwähnten Abdeckung) über eine Länge von etwa
3,60 m versehen, während die Stabart 1 eine axial zonenförmige Anreicherung aufweist.
Im besonderen ist die Anreicherung des Stabes der Nummer 1 in einer oberen, etwa
0,90 m dicken Zone 62 (der "Zone verringerter Anreicherung") vermindert mit Bezug
auf die Anreicherung in der unteren etwa 2,70 m dicken Zone 65. Die Stabtypen 7
und 8 enthalten abbrennbaren Absorber in Form von Gadoliniumoxid. Die Konzentration
ist axial zonenförmig eingestelltsund sie ist größer in einer unteren, etwa 1,5
m dicken Zone 67 (der "Zone mit erhöhtem Gadoliniumoxidgehalt") mit Bezug auf die
in einer oberen, etwa 2,10 m dicken Zone 68. Man kann daher den Kern als aus drei
axialen Zonen bestehend betrachten, nämlich der Zone 62 mit verminderter Anreicherung,
einer mittleren Zone 70, in der sich die Zonen 65 und 68 überlappen, sowie der Zone
67 mit er höhtem Gadoliniumoxidgehalt.
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Die Fig. 5A und SB zeigen den Querschnitt über alle Brennstoff stäbe
für die axiale Verteilung der Anreicherung und des Gadoliniumoxidgehaltes für die
KernbrennsofEbUndel der Fig. 4A und 4B. Es ist ersichtlich, daß diese Ausführungsformen
charakterisiert sind durch eine Anreicherungsverminderung in der Zone 62, um etwa
O,2 Gew.-%, wobei ein bevorzugter Bereich für eine solche verminderte Anreicherung
der zwischen etwa 0,15 und 0,30 Gew.-4 ist. Dies ist ein Bereich der geeignet ist
im Zusammenhang mit einem Kernbrennstoffbündel mit einer durchschnittlichen Anreicherung
von etwa 3 Gew.-%, wobei die Stäbe Anreicherunqen allgemein im Bereich von etwa
1,2 bis 4 Gew.-% aufweisen. Für die in den Fig. 4A und 4D gezeigten Ausführungsformen
liegt die
Anreicherung in den Stäben im Bereich von 1,70 bis 3,95
Gew.-% (mit Ausnahme der Abdeckung aus natürlichem Uran).
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Die Anreicherungsverminderung repräsentiert daher eine proportionale
Verminderung um etwa 5 bis 10 % und Kernbrennstoffbündel mit einer höheren Anreicherung
wären durch eine vergleichbar proportionale Reduktion charakterisiert und somit
absolut gesehen, durch eine entsprechend größere Verminderung in der Anreicherung
in Zone 62.
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Um den erwünschten Grad der axialen Zonenbildung zu erhalten, während
man gleichzeitig nur eine Minimalzahl axiale Zonen aufweisender Kernbrennstoffstäbe
benötigt, ist es bevorzugt, daß die Kernbrennstoff stäbe mit der höchstbenutzten
Anreicherung axial mit Zonen versehen sind. Um keine Pellets mit einer speziellen
Anreicherung zu benötigen, entspricht außerdem die verminderte Anreicherung in der
Zone 62 vorzugsweise der gleichmäßigen Anreicherung der anderen Brennstoffstäbe
im Kernbrennstoffbündelq Für die gezeigten Anreicherungen entspricht also die 3,3
gewientsprozentige Anreicherung in der Zone 62 der Stäbe des Typs Nummer 1 der gleichmäßigen
Anreicherung der Stäbe des Typs Nummer 2.
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Die Fig. 6A bis 6C zeigen Kurven 80a bis 80c der relativen Leistung
als Funktion der axialen Position zu Beginn des Zyklus (BOC) , in der Mitte des
Zyklus (MOC) und am Ende des Zyklus (EOC) für einen Reaktor mit einem Kern, der
Kernbrennstoffbündel der in den Fig. 4A und 4B gezeigten Art umfaßt, und der mit
allen Steuerstäben herausgezogen betrieben wird. Die Kurven sind auf eine durchschnittliche
Leistungseinheit normalisiert. Zu Vergleichszwecken zeigen die Fig. 6A bis 6C auch
entsprechende gestrichelte Kurven 82a bis 82c der axialen Leistungsverteilung für
einen Kern, der durch eine gleichmäßige Anreicherung charakterisiert ist.Am Beginn
des Zyklus ist ersichtlich, daß die Konzentrierung des Absorbers (Gadoliniumoxid)
in der Zone 67 den Einfluß der verminderten Anreicherung in der Zone 62 aufhebt,
so daß die vorliegende Erfindung allgemein die gleichen
Betriebscharakteristika
schafft, wie der entsprechende Kern mit axial gleichmäßiger Anreicherung. In der
Mitte des Zyklus gibt es eine merkliche Verbesserung, da die axiale Leistungsverteilung
im Vergleich zum Kern mit gleichmäßiger Anreicherung beträchtlich abgeflacht ist.
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Am Ende des Zyklus ergibt die vorliegende Erfindung wieder etwa die
gleiche axiale Leistungsverteilung, wie der Kern mit gleichförmiger Anreicherung.
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Die Fig. 7A bis 7C zeigen entsprechende Kurven 85a bis 85 c der relativen
Leistung als Funktion der axialen Position am Beginn des Zyklus (BOC), in der Mitte
des Zyklus (MOC) und am Ende des Zyklus (EOC) für einen Reaktorkern in seinem kalten
abgeschalteten Zustand mit allen Steuerstäben eingeschoben (CAR). Auch hier sind
die Kurven auf eine durchschnittliche Einheitsleistung normalisiert. Auch die Fig.
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7A bis 7C zeigen entsprechende Kurven 87a bis 87c gestrichelt für
die Leistungsverteilungen in einem Kern der axial gleichmäßig angereichert ist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die absoluten Neutronenflüsse für die Fig. 7A bis
7C im allgemeinen um etwa 7 Größenordnungen geringer sind als für die heißen Betriebsbedingungen
der Fig. 6A bis 6C (106 Neutronen/ cm2/sek. im kalten abgeschalteten Zustand gegenüber
1013 Neutronen/cm2/sek. im heißen Betriebszustand. Die Wirkung der axial zonenförmigen
Anreicherung manifestiert sich selbst als eine dramatische Abnahme der Leistung
in der Zone 62 für den kalten abgeschalteten Zustand während des gesamten Zyklus.
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Da die Kurven 85a - c und 87a - c auf die durchschnittliche Leistungseinheit
normalisiert sind, ist es unmöglich, Informationen hinsichtlich der absoluten Verminderung
des Neutronenflusses durch das axial zonenförmige Anreicherungen daraus abzuleiten.
Diese Wirkung kann man jedoch durch Betrachtung der Fig. 8 feststellen, in der die
Kurven 90a - 90c den effektiven Multiplikationsfaktor keff über einen Betriebszyklus
zeigen
(mit entsprechenden Kurven 92a - c gestrichelt für einen Kern mit axial gleichmäßiger
Anreicherung).
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Die Kurven 90a und 92a gelten für den heißen Betriebszustand, bei
dem alle Steuerstäbe aus dem Kern herausgezogen sind (HARO). Die Kurven 90c und
92c gelten für den kalten abgeschalteten Zustand, in dem alle Steuerstäbe in den
Kern eingeschoben sind (CARI). Die Kurven 90b und 92b gelten für den kalten abgeschalteten
Zustand, bei dem ein Steuerstab aus dem Kern herausgezogen ist. Den Kurven kann
leicht entnommen werden, daß der mit axialen Zonen der Anreicherung versehene Kern
nach der vorliegenden Erfindung einen weiteren Spielraum für den kalten abgeschalteten
Zustand ergibt (ein kleineres keff), und dies sowohl mit allen in den Kern eingefahrenen
Steuerstäben, als auch mit einem aus dem Kern herausgezogenen Steuerstab.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die vorliegende Erfindung
eine Konfiguration für ein Kernbrennstoffbündel schafft, das die Leistung im kalten
abgeschalteten Zustand vermindert bei minimaler Beeinträchtigung der Überschuß-Reaktivität
im heißen Betriebs zustand, so daß ein wirksamerer Gebrauch von dem Kernbrennstoff
gemacht werden kann.
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Von den dargestellten Ausführungsformen können Abweichungen Vorgenommen
werden, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. So können
anstelle der etwa 15 cm dicken Abdeckung aus natürlichem Uran andere Dicken benutzt
werden. Auch könnte diese Abdeckung anstelle im oberen Teil des Kernes im unteren
oder an beiden Enden vorhanden sein (vergleiche die Fig. 9A bis 9L).
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Insbesondere sind die Werte für die Anreicherung und die Absorberkonzentration
nur beispielhaft. Andere mögliche Kernkonfigurationen sind in in den Fig. 9A bis
9L gezeigt, die mögliche andere Anordnungen zeigen, um den vergrößerten
Steuerbereich
nach der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
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Diese anderen Ausführungsformen sind charakterisiert durch eine obere
Grenze der Anreicherung von 3,95 Gew.-%, doch kann die vorliegende Erfindung auch
in Kernen mit noch höherer Anreicherung benutzt werden.