Die Erfindung betrifft eine Brennstoffanordnung für einen
Kernreaktor und insbesondere eine Brennstoffanordnung für
einen Siedewasserreaktor, wobei mit der Erfindung ein langer
Betriebszyklus sichergestellt und ein hoher Abschaltbereich
aufrechterhalten wird.
Eine Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor (BWR)
besteht aus einem quadratischen Kanalkasten, in welchem eine
Vielzahl von Brennstäben in regelmäßiger Anordnung unterge
bracht ist, wobei jeder Brennstab ein metallisches Hüllrohr
aufweist, in welchem Kernbrennstoff untergebracht ist. Der
Reaktorkern des Siedewasserreaktors weist eine Mehrzahl von
Zellen auf, deren jede aus einer kreuzförmigen Steuerplatte
und vier die Steuerplatte umgebenden Brennstoffanordnungen
besteht, wobei diese Zellen in regelmäßiger Weise im Kern an
geordnet sind. Insbesondere weisen die Brennstoffanordnung
und die Steuerplatte zueinander senkrechte und parallele Achsen
auf, und ein als Moderator wirkendes Kühlmittel strömt vom un
teren Bereich nach oben gegen den oberen Bereich des Reaktor
kerns.
Bei einem solchen Siedewasserreaktor werden im Bereich nahe
dem unteren Ende der aktiven Kernzone keine Dampfblasen gebil
det, d. h. im unteren Ende eines wärmeerzeugenden Bereichs, in
welchem eine exotherme Reaktion stattfindet, wohingegen im Be
reich oberhalb des Mittelbereichs des Reaktorbereichs viele
Dampfblasen gebildet werden, und diese Dampfblasen bewegen
sich nach oben zum obersten Bereich des Reaktorkerns hin. Der
Blasenanteil in einem Siedewasserreaktor wird somit gegen des
sen oberen Teil hin immer größer, mit der Folge, daß die Mode
ratorwirkung der Neutronen abnimmt und damit auch die Ausgangs
leistung. Zur Vermeidung dieser Nachteile wird üblicherweise
so vorgegangen, daß die Anreicherung an spaltbarem Material
im Brennstoff in den Bereichen mit hohem Blasenanteil erhöht
und dem Brennstoffelement ein brennbares Gift zugemischt wird,
um so einen Anstieg der Ausgangsleistung in den Bereichen ge
ringen Blasenanteils zu verhindern.
Aus den erwähnten Gründen wird bei einem Siedewasserreaktor
der Abbrand im oberen Bereich des Kerns verzögert, mit der
Folge, daß die Konzentration an U-235 im oberen Bereich ver
gleichsweise größer ist als diejenige in den anderen Bereichen
des Kerns. Weil spaltbare Nukleide, wie etwa Pu-239 im oberen
Bereich des Kerns in vergleichsweise größerer Menge produziert
wird, und zwar aufgrund des neutronenspektralen Härtungsvor
gangs durch den höheren Blasenanteil als im unteren Bereich,
ist es darüber hinaus schwierig, den Abschaltbereich des Reak
torbereichs in seinem oberen Bereich aufrechtzuerhalten. Außer
dem werden neuerdings Anstrengungen gemacht, den Operations
zyklus derartiger Reaktoren zu verlängern und den Abbrand des
Brennstoffs auszudehnen, um so den heutigen wirtschaftlichen
Erfordernissen Rechung zu tragen. Dabei muß jedoch notwendiger
weise eine Anreicherung des Brennstoffs erfolgen, so daß der
unterkritische Zustand im oberen Teil des Reaktorkerns weiter
abnimmt und es noch schwieriger wird, den Abschaltbereich des
Reaktors aufrechtzuerhalten. Diese technischen Probleme führen
zu Schwierigkeiten bezüglich der Erreichung einer langen Be
triebsdauer bei Kernreaktoren üblichen Typs. Um während der
Abschaltperiode des Reaktors den unterkritischen Zustand zu
vergrößern und damit den Abschalt-Sicherheitsbereich des Reak
tors zu vergrößern, ist es wirkungsvoll, die Differenz so klein
wie möglich zu halten, die sich dadurch ergibt, daß der infini
tesimale Multiplikationsfaktor während des Leistungsbetriebs
von demjenigen während des Kaltbetriebs abgezogen wird, wobei
es also um die Differenz der Reaktivitäten dieser beiden unter
schiedlichen Betriebsperioden geht. Aus den erwähnten Gründen
ist bereits ein Verfahren zur Verbesserung des Abschaltbe
reichs des Reaktors vorgeschlagen worden, bei dem die An
reicherung der Brennstäbe in der ersten Schicht der Brenn
stoffanordnung, nämlich der Brennstäbe längs der Innenwand
des Kanalkastens, vermindert wird, wie dies in der japani
schen Patentschrift Nr. 49 946/1987 offenbart ist.
Bei diesem erwähnten Verfahren wird jedoch der Wirksamkeit
der Steuerstäbe oder Steuerplatten nicht Rechnung getragen,
die während der Abschaltzeit des Reaktors in den Kern einge
fahren werden, so daß auch dieses Verfahren bezüglich des
Reaktor-Abschaltbereichs noch verbesserungswürdig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile und
Probleme der oben beschriebenen bisherigen Techniken im we
sentlichen zu vermeiden und eine verbesserte Brennstoffanord
nung für den Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors zu schaf
fen, womit es möglich ist, den Reaktor-Abschaltbereich selbst
während eines Anstiegs der Brennstoffanreicherung beizubehal
ten und insbesondere die axiale Ausgangsleistungsverteilung
zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch
die Schaffung einer Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor,
bei dem eine Mehrzahl von Brennstäben in regelmäßiger Anord
nung vorgesehen ist, wobei erfindungsgemäß die Atomzahldichte
des spaltbaren Materials in jedem derjenigen Brennstäbe, die
in einem Bereich der Brennstoffanordnung angeordnet sind, der
einem Wasserspalt zugewandt ist, in dem keine Steuerplatte
eingeführt oder herausgezogen wird, kleiner gehalten wird
als die Atomzahldichte des spaltbaren Materials in jedem der
jenigen Brennstäbe, die in einem anderen Bereich als dem vor
erwähnten Bereich angeordnet sind.
Nach einer anderen erfindungsgemäßen Lösung wird eine Brenn
stoffanordnung für einen Kernreaktor geschaffen, bei dem eine
Mehrzahl von Brennstäben in regelmäßiger Anordnung vorgesehen
ist, wobei jeder Brennstab in einem metallischen Hüllrohr
Brennmaterial enthält, wobei diese Brennstoffanordnung dadurch
gekennzeichnet ist, daß einige der Brennstäbe mit Zwischenkör
pern im Hüllrohr versehen sind und jeder der Zwischenkörper ei
ne vorgegebene axiale Länge und eine beträchtlich verminderte
Anreicherung an spaltbarem Material besitzt, wobei die axiale
Länge gleich oder größer als die thermische Neutronen-Diffusions
länge während der Leistungsperiode des Reaktors ist und daß die
axiale Höhe des Orts des Zwischenkörpers im Brennstab derart ge
wählt ist, daß sie einen Teil umfasst, der einen Bereich ein
schließt, in welchem der unterkritische Zustand kleiner ist
während einer Zeitspanne, in welcher die Aufrechterhaltung des
Reaktorabschaltbereichs während des Reaktorbetriebs unzulässig
ist, und daß die Brennstäbe mit Zwischenkörpern zumindest im
äußeren Umfangsbereich der Brennstoffanordnung vorgesehen sind.
Gemäß der Erfindung ist also bei dem beschriebenen Kernreaktor
die relative Ausgangsleistung derjenigen Brennstäbe, welche
der Steuerplatte zugewandt sind, größer, womit die Wirksamkeit
der Steuerplatte verbessert wird. Die mittlere Ausgangsleistung
der Steuerstäbe benachbart dem Wasserspalt wird verkleinert.
Der Abschaltbereich des Reaktors kann dadurch verbessert wer
den, daß der Reaktivitätsunterschied zwischen der Leistungs-
Betriebsperiode (heiße Periode) und der kalten Betriebsperiode
vermindert wird. Die ebenfalls erfindungsgemäße Anordnung der
Brennstäbe mit Zwischenkörpern an einer vorgegebenen Stelle
der Brennstoffanordnung führt zu einer Vergrößerung des Wasser
spalts zwischen benachbarten Brennstoffanordnungen im Reaktor
kern. Darüber hinaus wird während der Reaktor-Abschaltperiode
der Multiplikationsfaktor vermindert, und die Verminderung des
Multiplikationsfaktors kann dann während der heißen Betriebs
periode wieder rückgängig gemacht werden.
Auf der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin
dung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1A eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform
der Erfindung;
Fig. 1B eine Tabelle der Anreicherungswerte der ent
sprechenden Brennstäbe von Fig. 1A;
Fig. 2 bis 4 grafische Darstellungen der Wirksamkeit
der Steuerplatten während des Kaltbetriebs
gemäß der Erfindung und gemäß der üblichen
Technik, der Reaktivitätsdifferenz bei Lei
stungsbetrieb (heiße Periode) und bei Kaltbe
trieb und der Reaktivitätsdifferenz bei Lei
stungsbetrieb (heiße Periode) und bei der
kalten Abschaltperiode;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungs
form der Erfindung;
Fig. 6 bis 8 grafische Darstellungen der Wirksamkeit der
Steuerplatten auf der Grundlage der Ausführungs
form von Fig. 5 während des Kaltbetriebs der
Reaktivitätsdifferenz bei Leistungsbetrieb
(heiße Periode) und bei Kaltbetrieb und der Re
aktivitätsdifferenz bei Leistungsbetrieb (heiße
Periode) und bei kalter Abschaltperiode;
Fig. 9A eine Seitenansicht einer dritten Ausführungs
form der Erfindung;
Fig. 9B eine Draufsicht auf die dritte Ausführungsform;
Fig. 10A einen Schnitt durch einen Reaktorkern eines
Siedewasserreaktors mit Brennstoffanordnung
nach der dritten Ausführungsform;
Fig. 10B eine grafische Darstellung des Verhältnisses
zwischen dem Blasenanteil in axialer Richtung
des Reaktorkerns von Fig. 10A und der Vertei
lung des unterkritischen Zustands;
Fig. 11 bis 29 Draufsichten auf die vierte bis zwei
undzwanzigste Ausführungsform der Er
findung;
Fig. 30A bis 30D Schnitte durch Brennstäbe verschiede
ner Ausführungen der Erfindung;
Fig. 31 eine Draufsicht auf die dreiundzwanzig
ste Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 32 und 33 Teilschnitte durch Brennstäbe nach der
Erfindung;
Fig. 34 bis 38 Draufsichten auf die vierundzwanzigste
bis achtundzwanzigste Ausführungsform
der Erfindung;
Fig. 39A und 39B ein Schnitt und eine Draufsicht durch
bzw. auf eine Brennstoffanordnung mit ei
nem Kanalkasten verminderter Dicke im
oberen Teil zur Erhöhung der Wassermenge
in der Brennstoffanordnung;
Fig. 40A eine Draufsicht auf ein Beispiel einer
üblichen Brennstoffanordnung und
Fig. 40B eine Tabelle der Anreicherungswerte der
Brennstäbe von Fig. 40A.
Fig. 1A ist eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform der
Erfindung, bei welcher die Bezugszeichen 1 bis 14 Brennstäbe
mit untereinander unterschiedlichen Anreicherungswerten bezeich
nen. Die Anreicherungswerte der entsprechenden Brennstäbe 1 bis
14 sind in der Tabelle von Fig. 1B aufgeführt. Die Brennstäbe
sind in regelmäßiger Weise in einem Kanalkasten 13 untergebracht,
und zwar in acht Zeilen und in acht Reihen. Wie sich aus der
Tabelle von Fig. 1B ergibt, ist der Mittelwert der Anreiche
rung der Brennstäbe (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) der ersten, ei
nem Wasserspalt benachbarten Schicht kleiner als derjenige
der Brennstäbe insgesamt, aber der Mittelwert der Anreiche
rung derjenigen Brennstäbe (6, 7, 8, 9) der ersten Schicht, die
sich an der Seite eines Wasserspalts befinden, in welchen
eine Steuerplatte R eintaucht, ist größer als der derjenigen
Brennstäbe (10, 11, 12, 14) auf der Seite eines Wasserspalts,
in den keine Steuerplatte eintaucht.
Die Fig. 2 bis 4 sind grafische Darstellungen zur Erläuterung
der Wirkungsweise, die mit der ersten Ausführungsform erreicht
wird und stellen die Ergebnisse eines Vergleichs dieser Aus
führungsform mit dem Stand der Technik dar, und zwar bezüglich
der Wirksamtkeit der Steuerplatte beim Kaltbetrieb, dem Unter
schied in der Reaktivität zwischen der Leistungsperiode und
dem Kaltbetrieb und dem Unterschied in der Reaktivität zwischen
dem Leistungsbetrieb und der kalten Abschaltperiode, und zwar
bezüglich der Fälle 1 bis 4 der Tabelle von Fig. 1B. Als Stand
der Technik ist für diesen Vergleich das in Fig. 40 dargestell
te Beispiel verwendet, das in der bereits vorerwähnten japani
schen Patentschrift Nr. 49 946/1987 als bevorzugtes Ausführungs
beispiel offenbart ist.
Fig. 2 zeigt also das Ergebnis des Vergleichs für die Wirksam
keit der Steuerplatten während der kalten Betriebsperiode. Aus
Fig. 2 ergibt sich für die in durchgezogenen Linien dargestell
ten Fälle 1 und 2 ein Anstieg der Wirksamkeit der Steuerplatte
im Vergleich mit dem Bezugsbeispiel, jedoch führen die in
durchgezogenen Linien dargestellten Fälle 3 und 4 zu einer ge
ringen Abnahme der Wirksamkeit der Steuerplatte gegenüber dem
Bezugsbeispiel. Der Grund dafür ist, daß bei dieser Ausfüh
rungsform die Anreicherungswerte der Brennstäbe, die der Steuer
platte R zugewandt sind, beträchtlich niedriger sind (im Fall 3:
bis 60%; im Fall 4: um etwa 40%) als beim Bezugsbeispiel ge
mäß dem Anstieg der Fall-Nr. Im Gegensatz dazu nimmt bei dem
in gestrichelter Linie dargestellten Beispiel nach dem Stand
der Technik die Wirksamkeit der Steuerplatte im Vergleich mit
dem Bezugsbeispiel lediglich ab, und zwar gemäß dem Anstieg
der Fall-Nr.
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung zur Erläuterung des
Vergleichs des Unterschieds in der Reaktivität beim Kaltbe
trieb und beim Leistungsbetrieb, wobei der Kurvenwert als der
infinitesimale Multiplikationsfaktor des kalten Kerns abzüg
lich desjenigen des heißen Kerns definiert ist. Aus Fig. 3
ist ersichtlich, daß die Differenz bei der erfindungsgemäßen
Ausführungsform im Vergleich mit dem Stand der Technik syste
matisch kleiner ist und daß die erfindungsgemäße Ausführungs
form bezüglich der Differenz der Reaktivität zwischen dem Kalt
betrieb und dem Leistungsbetrieb dem Stand der Technik überle
gen ist.
Fig. 4 zeigt den Vergleich des Unterschieds in der Reaktivität
bei Leistungsbetrieb und während der kalten Abschaltperiode.
Der Anstieg des Wertes dieses Unterschieds bedeutet eine Ver
besserung des Abschaltbereichs des Reaktors, und dieser Wert
ist definiert als der infinitesimale Multiplikationsfaktor des
Kerns bei Heißbetrieb abzüglich des Kerns bei dessen kalter Ab
schaltung. Insbesondere ist ersichtlich, daß die Ausführungs
form nach der Erfindung bezüglich der Verbesserung des Ab
schaltbereichs des Reaktors im Vergleich mit dem Beispiel nach
dem Stand der Technik sehr wirkungsvoll ist.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der
Erfindung, bei welcher die mit einer Schraffierung versehenen
Brennstäbe P hohl sind und eine geringe Packungsdichte aufwei
sen.
Bei dieser Ausführungsform sind diejenigen Brennstäbe P, wel
che dem Wasserspalt an der Seite zugewandt sind, wo kein Ein
tauchen der Steuerplatte R erfolgt, mit einer Bohrung versehen,
so daß sie einen hohlen Innenbereich aufweisen, in welchen ei
ne chemisch stabile Substanz eingebracht ist, welche einen klei
nen Neutronen-Querschnitt aufweist, wie etwa Al2O3 oder ZrO2,
um so die Atomzahldichte des spaltbaren Materials des Brennstabs
zu vermindern und kleiner zu machen als die Dichte der in den
anderen Bereichen angeordneten Brennstäbe.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen grafische Darstellungen der Wirksamkeit
der Steuerplatte während der Kaltperiode, der Differenz in der
Reaktivität zwischen der Leistungsperiode und der Kaltperiode
und der Differenz in der Reaktivität zwischen der Leistungsperio
de und der kalten Abschaltperiode, jeweils für den Fall der Ver
änderung der Atomzahldichte gemäß der zweiten Ausführungsform.
Der Wert der Atomzahldichte von 1,0 ist dabei ein Wert entspre
chend dem Bezugswert von Fig. 40.
Wie sich aus diesen grafischen Darstellungen ergibt, kann der
Abschaltbereich des Reaktors wirksam dadurch verbessert werden,
daß die Atomzahldichte des spaltbaren Materials der Brennstäbe
in einem Bereich vermindert wird, welcher demjenigen Wasserspalt
zugewandt ist, in welchen keine Steuerplatte R eintaucht.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Brennstoffanord
nung nach der Erfindung und besteht aus den Fig. 9A, die einen
Vertikalschnitt durch die Brennstoffanordnung zeigt, und 9B,
die eine Draufsicht ist.
Diese dritte Ausführungsform wendet eine Technik an, welche von
der vorliegenden Anmelderin entwickelt und in den japanischen
Patentanmeldungen Nr. 72 990/1987 und 85 748/1987 (japanische Of
fenlegungsschriften Nr. 2 41 381/1988 und 2 52 292/1988) sowie in
der US-Patentanmeldung Nr. 1 73 786 offenbart worden ist. Dabei
ist der Multiplikationsfaktor in der kalten Betriebsperiode der
art vermindert, daß der Reaktor-Abschaltbereich (unterkritischer
Zustand) verbessert wird, und zwar durch Einfügen eines Zwischen
körpers vorgegebener Länge und, in seinem metallischen Hüllrohr,
beträchtliche verminderter Dichte an spaltbaren Nukleiden.
Die Brennstoffanordnung nach dieser dritten Ausführungsform weist
ein Wasserrohr 12 mit quadratischem Querschnitt, das sich im we
sentlichen in der Mitte der Brennstoffanordnung befindet, und -
unter Aussparung des Mittelbereichs - Brennstäbe 10 und 11, die
in regelmäßiger Anordnung in neun Spalten und neun Zeilen ange
ordnet sind. Die Brennstäbe 10 und 11 werden von einem Kanalka
sten 13 umgeben und ihre oberen und unteren Enden werden durch
eine obere Lagerplatte 14 und eine untere Lagerplatte 15 gehal
ten.
Die Brennstäbe 11 sind als Brennstäbe P mit eingesetzten Zwischen
körpern 16 ausgebildet. Vorzugsweise ist die vertikale Länge l
jedes Zwischenkörpers 16 geringer als 1/3 der Länge der effekti
ven Vertikallänge H des Brennstabs entspricht, bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel etwa 15 bis 60 cm. Der mittlere Teil des Zwischen
körpers 16 befindet sich an einer Stelle, die vom unteren Ende
der effektiven Brennstablänge um 3/4 H entfernt ist. Der Grund,
warum der Zwischenkörper 16 gerade an dieser Stelle vorhanden
sein soll ist der, daß der unterkritische Zustand des Reaktor
kerns insbesondere um diese um 3/4 entfernte Stelle herum vermin
dert ist und vom Boden der effektiven Brennzone in einem Bereich
liegt, der eine vertikale Länge von etwa 1/4 H aufweist. Die Ein
zelheiten des Zwischenkörpers 16 werden später noch erläutert,
wobei jedoch bereits hier erwähnt sei, daß der Zwischenkörper aus
einem Hohlrohr, Graphit, ZrH2-Pellets oder Wasser bestehen kann.
Ein Leistungsspitzen-Unterdrückungskörper 16 a befindet sich be
nachbart dem Zwischenkörper 16 und wird später noch im einzelnen
erläutert.
Bei einem Siedewasserreaktor wird gemäß Fig. 9A die kreuzförmige
Steuerplatte R in den Wasserspalt zwischen benachbarten Brenn
stoffanordnungen eingeschoben bzw. aus diesem herausgezogen.
Durch das Einfahren der Steuerplatte R wird der Neutronen-Mul
tiplikationsfaktor der Brennstäbe vermindert bzw. unterdrückt,
jedoch ist diese Verminderung nicht über die gesamte Brenn
stoffanordnung gleichmäßig, weil der Neutronen-Multiplikations
faktor auf derjenigen Seite der Brennstoffanordnung, welche der
Steuerplatte R zugewandt ist, sehr stark vermindert wird, wo
hingegen auf denjenigen Seiten der Brennstoffanordnung die Ver
minderung des Faktors geringer ist, die dem Wasserspalt zuge
wandt sind, in welchen die Steuerplatte R nicht eintaucht. Dies
stellt gemäß der Erfindung einen wesentlichen Umstand dar und
weil während der Reaktor-Abschaltperiode vor allem der unterkriti
sche Zustand derjenigen Brennstäbe P erhöht werden soll, die sich
an der Seite der Brennstoffanordnung befinden, wo die Steuerplat
te R nicht eintaucht, befinden sich gemäß der Erfindung die Brenn
stäbe 11 (P-Typ) an der Seite des Wasserspalts, in den die Steuer
platte R nicht eintaucht, um so den Wasserspalt zwischen benach
barten Brennstoffanordnungen zu vergrößern (auf der Zeichnung
nicht zu sehen). Weil die effektive Breite des Wasserspalts sich
beträchtlich vergrößert, und zwar zusätzlich zu dem existieren
den Wasserspalt infolge der Anordnung der Brennstäbe (P), ergibt
sich eine wesentliche Verminderung des Neutronen-Multiplikations
faktors während der kalten Abschaltperiode (der unterkritische
Zustand wird vergrößert), wobei der Faktor dann während des Hoch
temperaturbetriebs wieder ansteigt; somit ergibt sich infolge
der Abnahme der Wasserdichte die geeignete Moderationseigen
schaft selbsttätig.
Drei Brennstäbe 11 (P-Typ) werden bei dieser Ausführungsform an
den Ecken der Brennstoffanordnung vorgesehen, die der Mittel
achse der kreuzförmigen Steuerplatte zugewandt sind, weil die
Eckenbereiche vergleichsweise stark zu der Verminderung des Mul
tiplikationsfaktors während der Abschaltperiode des Reaktors bei
tragen und auch zur Verbesserung des Multiplikationsfaktors wäh
rend dessen Hochtemperaturbetrieb.
Die Brennstoffanordnung der Ausführungsform von Fig. 9B weist
zweiundzwanzig Brennstäbe vom P-Typ auf. Ein Standard-Brenn
stab 10 besitzt eine effektive Länge (Länge der Wärmeerzeu
gungszone) von etwa 3,6 bis 3,7 m. Bei der Kernsteuerung des
Siedewasserreaktors wird die Abbrand-Überwachung in der Weise
durchgeführt, daß die effektive Länge der Brennstäbe in vierund
zwanzig gleiche Teile unterteilt wird, so daß 1/24 der Länge
von 3,6 bis 3,7 m im allgemeinen als Einheitslänge für die
Zwischenkörper (etwa 15 cm) angesetzt wird, und zwar aus Grün
den der Einfachheit; selbstverständlich ist diese Festlegung
kein wesentlicher Punkt.
Es soll nun angenommen werden, daß ein Zwischenkörper mit einer
Länge von etwa 45 cm (3 Einheitslängen) in einen Brennstab 10
eingesetzt wird.
Diese Länge ist im wesentlichen gleich der Länge l′ eines Gas
raums, der an der Spitze eines üblichen Brennstabs 10 angeord
net ist, so daß der Gasraum nicht an der Spitze des Brennstabs P
unter völliger Ausnutzung dieser Stelle angeordnet ist, in wel
che der Körper eingesetzt wird, und zwar als Gasraum. Dies wird
für die Brennstoffanordnung von Fig. 9A angenommen, bei welcher
der Durchmesser am obersten Teil 16 c des Brennstabs beträchtlich
vermindert ist. Die Verminderung des Durchmessers führt zu einer
Vergrößerung des Strömungsweges für das Kühlmittel und leistet
einen Beitrag zur Verminderung des Druckabfalls des Kühlmittels,
wodurch die Stabilität des Kanals verbessert, die Kapazität ei
ner Rezirkulationspumpe vermindert und somit die Wirtschaftlich
keit verbessert wird.
Wie bereits erwähnt, weist die Brennstoffanordnung dieser Aus
führungsform zweiundzwanzig Brennstäbe 11 vom P-Typ auf, wobei
alle diese Brennstäbe 11 Abschnitte aufweisen, in welche Zwi
schenkörper eingesetzt sind, deren jeder eine Länge von drei
Einheitslängen besitzt, wobei dann das Uran um eine Menge ver
mindert werden kann, die 2,75 Brennstäben (22×3/24) entspricht.
Darüber hinaus wird der Urananteil um einen Betrag vermindert,
welcher fünf Brennstäben entspricht, und zwar infolge des qua
dratischen Wasserrohrs, das sich im Mittelpunkt der Brennstoff
anordnung befindet, so daß eine Verminderung um einen Betrag
erfolgt, der 7,75 Brennstäben entspricht. Bei einer Brennstoff
anordnung mit 9×9 Brennstäben (9 Spalten und 9 Reihen) gemäß
dieser Ausführungsform wird eine Verminderung der Zahl der Brenn
stäbe unter Verwendung des Wasserrohrs realisiert. Im Vergleich
damit besitzt diese Ausführungsform eine Uranmenge, die um 1,25
Brennstäbe größer ist als bei der oben beschriebenen praktischen
Ausführungsform. Dies bedeutet, daß die Wärmeerzeugung bezogen
auf die Einheitsfläche des Kernreaktors vergrößert oder die Lei
stungsdichte vermindert werden kann, und zwar um den entspre
chenden Betrag, um so einen Beitrag zur Verbesserung der Ge
räuscharmut der Brennstäbe zu leisten.
Fig. 10A zeigt die Anwendung der Brennstoffanordnung von Fig. 9
auf einen Siedewasserreaktor, und Fig. 10B ist eine grafische
Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Blasenanteil in axia
ler Richtung des Reaktorkerns und der Verteilung des unterkriti
schen Zustands. Die Zwischenkörper 16 sind in den in Fig. 10A
schraffierten Bereichen untergebracht, und es ist vorteilhaft,
wenn sie sich in einer Höhe befinden, die der Pegelhöhe der Zwi
schenkörper 16 der entsprechenden Brennstäbe entspricht. Obwohl
die axiale Länge jeden Zwischenkörpers sich mit der Gestalt der
mit den Zwischenkörpern zu versehenden Brennstäbe und der Art
der Anordnung ändern kann, so soll doch die axiale Länge üblicher
weise zwischen 15 und 90 cm liegen. Unter 15 cm kann keine we
sentliche Wirkung erwartet werden, wohingegen bei einer Länge
über 90 cm der Effekt nicht mehr relativ proportional zur Ver
minderung der Menge an erforderlichem Wärmeerzeugungsmaterial
verläuft. Weil die Zwischenkörper an Stellen in der Brennstoff
anordnung vorgesehen sind, an welchen der unterkritische Zustand
am kleinsten ist, kann diese Ausführungsform der Erfindung in
wirksamer Weise betätigt werden.
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf die vierte Ausführungsform der
Erfindung, bei welcher die kreuzförmige Steuerplatte R an einer
Stelle in den Reaktorkern eingefahren und aus diesem ausgefah
ren wird, die der oberen linken Ecke der dargestellten Brenn
stoffanordnung zugewandt ist. Die mit Zwischenkörpern versehe
nen Brennstäbe P, P 1 und P 2 sind in geeigneter Weise aus den
verschiedenen Brennstäben der Fig. 30A und 30B ausgewählt, wo
bei jedoch die Anordnungen der Brennstäbe in der Brennstoffan
ordnung untereinander unterschiedlich sind, so daß unterschied
liche Buchstaben in der Zeichnung aufgeführt sind, was im übri
gen auch für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen
gilt. Gleiche Bezugszeichen sind angegeben für Teile oder Elemen
te, welche denjenigen der dritten Ausführungsform entsprechen,
wobei auch dies für die noch nachfolgend zu beschreibenden Aus
führungsformen gilt.
Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform trägt der Um
fangsteil des großen, quadratischen Wasserrohrs 12 zur Verbesse
rung des Abschaltbereichs des Reaktors bei, und deshalb sind
vier Brennstäbe P 2 mit Zwischenkörpern vorgesehen, die zum Er
satz der üblichen vier Brennstäbe 10 dienen, die am Umfang des
Wasserrohrs 12 angeordnet sind.
Diese vier Brennstäbe P 2 mit Zwischenkörper dienen zur Steige
rung des Multiplikationsfaktors Keff während des Hochtempera
turbetriebs des Reaktorkerns, weil das große Wasserrohr 12 ge
nügend Wasser hindurchströmen läßt und genügend Leistung erzeug
bar ist. Aus diesem Grund hat die Brennstoffanordnung dieser
Ausführungsform die dargestellte Wasserrohr-Anordnung, um so
den gewünschten Effekt nutzen zu können. Die Anordnung der
Brennstäbe P 2 vergrößert wirkungsvoll die Dimension des Wasser
rohrs, womit der unterkritische Zustand des Reaktorkerns wäh
rend der kalten Abschaltperiode gesteigert wird. Zur Vermei
dung der Verringerung der Uranmenge können die Brennstäbe P 1
als übliche Brennstäbe ohne Zwischenkörper betrachtet werden.
Für die Brennstäbe wird das gewünschte Ziel ohne Erzeugung ei
ner Leistungsspitze dadurch erreicht, daß nur in den radial
mittleren Teil ein brennbares Gift, wie etwa Gd, eingebracht
wird, und zwar in einem solchen Betrag, daß der Vergiftungs
effekt in der letzten Stufe des Betriebsablaufs verschwindet.
Fig. 12 ist eine Draufsicht auf die fünfte Ausführungsform der
Erfindung, wobei die Brennstäbe P 2 mit Zwischenkörpern zusätz
lich zu den Brennstäben P der vorhergehenden Ausführungsform in
Kreuzform längs der Ausdehnung der Diagonalen des quadratischen
Wasserrohrs 12 im Mittelbereich der Brennstoffanordnung vorge
sehen sind. Die Brennstoffanordnung beinhaltet somit achtund
zwanzig Brennstäbe P mit Zwischenkörper und achtundvierzig übli
che Brennstäbe 10.
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform in
Anwendung auf eine übliche Brennstoffanordnung, wobei zwei dün
nere Wasserrohre 17 anstelle des einzigen großen Wasserrohrs
vorgesehen sind. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform
beinhaltet 15 Brennstäbe P, deren jeder mit einem Zwischenkör
per versehen ist, und 47 übliche Brennstäbe 10. Unter der Voraus
setzung, daß die Zwischenkörper eine axiale Länge von 30 oder
45 cm haben, ergibt sich eine Verminderung des Urans um einen Be
trag entsprechend 1,25 oder 1,88 Brennstäbe.
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform in
Anwendung auf eine übliche Brennstoffanordnung mit zwei dünne
ren Wasserrohren 17. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungs
form weist Brennstäbe P mit Zwischenkörpern zusätzlich nahe der
Mittelachse der Steuerplatte auf und besitzt somit vierzehn
Brennstäbe P und achtundvierzig typische Brennstäbe 10. Unter
der Voraussetzung, daß die Zwischenkörper eine axiale Länge
von 30 oder 45 cm haben, wird die Uranmenge um einen Betrag
vermindert, der 1,17 oder 1,75 Brennstäben entspricht, wobei
jedoch die Brennstoffanordnung selbst im wesentlichen genauso
arbeitet wie die von Fig. 13.
Fig. 15 ist eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform der
Erfindung, bei welcher zwei dünne Wasserrohre 17 Verwendung
finden, wie dies bereits anhand der Ausführungsformen der Fig.
13 und 14 erläutert worden ist. Die Brennstoffanordnung dieser
Ausführungsform beinhaltet Brennstäbe P mit Zwischenkörpern zu
sätzlich in Konzentration im Mittelbereich der Brennstoffanord
nung und weist einundzwanzig Brennstäbe P und einundvierzig typi
sche Brennstäbe 10 auf. Unter der Voraussetzung, daß die Zwischen
körper eine axiale Länge von 30 cm haben, wird die Uranmenge um
einen Betrag entsprechend 1,75 Brennstäbe vermindert, wobei je
doch im inneren des Brennstoffbündels eine Bindungs/Trennungs-
Funktion auftritt, und zwar infolge der Veränderung der Wasser
dichten in der heißen Betriebsperiode und der kalten Betriebs
periode. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform ist wir
kungsvoller als die Ausführungsformen nach den Fig. 13 oder 14.
Fig. 16 ist eine Draufsicht auf die neunte Ausführungsform der
Erfindung, bei der ebenfalls zwei dünne Wasserrohre Verwendung
finden, wie bei den Ausführungsformen der Fig. 13 und 14. Die
Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform weist Brennstäbe P
mit Zwischenkörpern zusätzlich symmetrisch an Stellen längs des
gesamten Umfangs der Brennstoffanordnung auf und besitzt demge
mäß im ganzen achtundzwanzig Brennstäbe P mit Zwischenkörpern
und vierunddreißig typische Brennstäbe 10. Gemäß dieser Ausfüh
rungsform sind die Brennstäbe P an den Orten höherer Nummern
vorgesehen, so daß die Uranmenge um einen Betrag entsprechend
2,33 Brennstäben vermindert ist, unter der Voraussetzung, daß
jeder der Zwischenkörper eine axiale Länge von 30 cm aufweist.
Es ist deshalb notwendig, die Länge der Zwischenkörper gering
fügig zu vermindern, um so den Nachteil auszuschalten, der
sich aus der Verminderung der UO2-Menge ergibt. Die Brennstoff
anordnung dieser Ausführungsform hat eine sehr große Bindungs/
Trennungs-Funktion. Insbesondere bei einem Vergleich mit den
anderen Brennstäben P sind die Eigenschaften während des Hoch
temperaturbetriebs infolge der symmetrischen Anordnung der zu
sätzlichen Brennstäbe P verbessert, obwohl die Funktionen der
Brennstäbe P, welche dem Steuerstab zugewandt sind, während
der Abschaltperiode des Reaktors erniedrigt sind.
Fig. 17 ist eine Draufsicht auf die zehnte Ausführungsform der
Erfindung, wobei ein großes, rundes Wasserrohr 18 einer Größe
entsprechend vier typischen Brennstäben im wesentlichen in der
Mitte der Brennstoffanordnung vorgesehen ist. Die Brennstoff
anordnung dieser Ausführungsform weist weiterhin sechzehn
Brennstäbe P mit Zwischenkörper und vierundvierzig typische
Brennstäbe 10 auf. Unter der Voraussetzung, daß jeder der Zwi
schenkörper eine axiale Länge von 30 cm besitzt, wird die Uran
menge um einen Betrag entsprechend 1,33 Brennstäbe 10 vermindert.
Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform erreicht die
Funktion bzw. erreicht ähnliche Funktionen wie die Ausführungs
formen der Fig. 13 und 14.
Fig. 18 ist eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform der
Erfindung. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform weist
ein großes, quadratisches Wasserrohr 19 einer Größe entsprechend
vier typischen Brennstäben auf, welches in der Mitte der Brenn
stoffanordnung vorgesehen ist. Außerdem sind sechzehn Brenn
stäbe P mit Zwischenkörpern und vierundvierzig Brennstäbe 10
vorhanden. Unter der Voraussetzung, daß jeder der Zwischenkör
per eine axiale Länge von 30 cm besitzt, läßt sich die Uran
menge um einen Betrag entsprechend 1,33 typischen Brennstäben
vermindern. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform er
reicht im wesentlichen die gleiche Wirkung wie die Ausführungs
form der Fig. 17.
Fig. 19 ist eine Draufsicht auf eine zwölfte Ausführungsform
der Erfindung. Die Brennstoffanordnung weist 11×11 Brennzel
len und ein großes, rundes Wasserrohr 20 auf, dessen Größe neun
typischen Brennstäben entspricht und das in der Mitte der
Brennstoffanordnung angeordnet ist. Einundzwanzig Brennstäbe P
mit Zwischenkörper sind längs derjenigen Innenwand des Kanal
kastens vorgesehen, die der kreuzförmigen Steuerplatte nicht
zugewandt ist, ein Brennstab P ist an derjenigen Ecke des
Brennstoffbündels vorgesehen, die der Mittelachse der Steuer
platte zugewandt ist, und außerdem sind neunzig typische Brenn
stäbe 10 vorgesehen. Unter der Voraussetzung, daß jeder der Zwi
schenkörper eine axiale Länge von 30 cm besitzt, vermindert sich
die Uranmenge um einen Betrag entsprechend 1,83 Brennstäben.
Fig. 20 ist eine Draufsicht auf die dreizehnte Ausführungsform
der Erfindung, die eine Abwandlungsform der Ausführungsform von
Fig. 19 darstellt, wobei die Brennstoffzellen 11×11 (11 Spal
ten und 11 Zeilen) Brennstäbe sind und sich ein großes, quadra
tisches Wasserrohr 21 einer Größe entsprechend neun Brennstoff
zellen im Mittelbereich der Brennstoffanordnung angeordnet ist.
Die Brennstoffanordnung weist außerdem zweiundzwanzig Brenn
stäbe P mit Zwischenkörpern und neunzig Brennstäbe 10 auf, wo
bei mit dieser Brennstoffanordnung im wesentlichen dieselben
Wirkungen erzielt werden wie bei der Ausführungsform von Fig.
19.
Fig. 21 ist eine Draufsicht auf die vierzehnte Ausführungsform
der Erfindung, wobei ein großes, quadratisches Wasserrohr 22
einer Größe entsprechend fünf Brennstäben im Mittelbereich der
Brennstoffanordnung angeordnet ist, und zwar mit einer Neigung
bezüglich des Brennstabbündels von 45° in der Draufsicht. Die
Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform weist fünfzehn Brenn
stäbe P mit Zwischenkörpern, zehn Brennstäbe P 1 mit Zwischen
körpern und einen Brennstab P 2 mit Zwischenkörper auf. Die
Brennstäbe P 1 sind in Kreuzform angeordnet, derart, daß sie
das Brennstabbündel in vier Abschnitte unterteilen, also vier
Unterbündel, und die Brennstäbe P sind längs der Innenwände
des Kanalkastens angeordnet, und zwar an den der kreuzförmigen
Steuerplatte hingewandten Stelle. Die Brennstoffanordnung weist
außerdem achtundvierzig übliche Brennstäbe 10 auf. Bei dieser
Ausführungsform kann zusätzlich zu den Funktionen der Brenn
stäbe P die Entfernung zwischen den Unterbündeln in Höhe des
Orts der Zwischenkörper der Brennstäbe P 1, die sich im Mittel
bereich in kreuzförmiger Anordnung befinden, vergrößert werden,
so daß der wirksame Multiplikationsfaktor bei hohen Temperatu
ren (hohes Keff) erhöht und der wirksame Multiplikationsfaktor
bei niedriger Temperatur (kaltes Keff) beträchtlich gesenkt
werden, so daß ein großer Reaktor-Abschaltbereich aufrechterhal
ten werden kann. Selbst wenn die in jedem der Brennstäbe P, P 1
und P 2 eingesetzten Zwischenkörper vergleichsweise kurz sind,
ergeben sich immer noch beträchtliche Vorteile. Unter der Voraus
setzung, daß die Zwischenkörper eine axiale Länge von 30 cm ha
ben, ergibt sich eine Verminderung des Urans um einen Betrag ent
sprechend 2,33 Brennstäbe.
Fig. 22 ist eine Draufsicht auf die fünfzehnte Ausführungsform,
wobei ein quadratisches Wasserrohr 12 einer Größe entsprechend
fünf üblichen Brennstäben im Mittelbereich der Brennstoffanord
nung vorgesehen ist, und zwar mit einer Neigung von 45° gegen
über dem Brennstabbündel in der Draufsicht. Die gesamte Brenn
stoffanordnung ist in neun Unterbündel 23 unterteilt, und zwar
durch Spalte 24 vergleichsweise geringer Breite. Siebzehn Brenn
stäbe P und ein Brennstab P′, jeweils mit Zwischenkörpern, sind
längs der beiden Wände des Kanalkastens, die nicht der Steuer
platte zugewandt sind, bzw. an einer der Mittelachse der Steuer
platte zugewandten Ecke angeordnet. Die Brennstoffanordnung die
ser Ausführungsform weist außerdem achtundfünfzig typische
Brennstäbe 10 auf. Unter Voraussetzung, daß die Zwischenkör
per eine axiale Länge von 30 cm haben, wird die Uranmenge um
einen Betrag entsprechend 1,33 Brennstäben vermindert. Demge
mäß kann der wirksame Multiplikationsfaktor bei hohen Tempe
raturen (hohes Keff) gesteigert und bei niedrigen Temperatu
ren (kaltes Keff) erniedrigt werden, womit ein großer Ab
schaltbereich aufrechterhalten wird, jedoch ist dieser erziel
bare Effekt geringer als bei dem vorerwähnten Ausführungsbei
spiel nach Fig. 21.
Fig. 23 ist eine Draufsicht auf die sechzehnte Ausführungs
form der Erfindung, die eine Abwandlung der Ausführungsform
von Fig. 22 darstellt. Bei der Brennstoffanordnung dieser Aus
führungsform ist ein quadratisches Wasserrohr 25, das gering
fügig größer ist als das vorher beschriebene Wasserrohr 12,
vorgesehen und ein Brennstab 10 ist zusätzlich an Stellen an
geordnet, welche den Seiten des quadratischen Wasserrohrs 25
zugekehrt sind. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungs
form weist siebzehn Brennstäbe P mit Zwischenkörpern, einen
Brennstab P 2 mit Zwischenkörper und achtundfünfzig typische
Brennstäbe 10 auf. Weil das mittlere Wasserrohr 25 größer ist
als das des vorhergehenden Ausführungsbeispiel, kann der Reak
tor-Abschaltbereich noch wirksamer aufrechterhalten werden als
beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
Fig. 24 ist eine Draufsicht auf die siebzehnte Ausführungsform,
die eine Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 21 darstellt
und bei der ein großes, rundes Wasserrohr 26 und breite, kreuz
förmige Wasserspalte 27 in versetzter Anordnung vorgesehen sind,
und zwar gegenüber dem Brennstoffbündel. Die Brennstoffanord
nung dieser Ausführungsform ist wirkungsvoll auf den Reaktor
kern eines Schicht-Siedewasser-D-Reaktor anwendbar, wobei die
Breiten des Wasserspalts am äußeren Umfang der Brennstoffanord
nung unterschiedlich sind. Für Reaktorkerne dieses Typs ist es
vorteilhaft, wenn die kreuzförmige Steuerplatte R derart ver
setzt ist, daß der Mittelstab im linken oberen Teil (Zeichnung)
angeordnet ist. Eine große Zahl von Brennstäben ist in einem
Bereich vorgesehen, der einen breiten Wasserspalt hat. Die
Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform enthält siebzehn
Brennstäbe P und einen Brennstab P 2, jeweils mit Zwischenkör
per, und neunundfünfzig typische Brennstäbe 10.
Fig. 25 ist eine Draufsicht auf die achzehnte Ausführungsform
der Erfindung, die vier Unterbündel 28 aufweist, die durch ei
nen kreuzförmigen Wasserspalt 29 als Gebiet eines nicht-sieden
den Moderatorwassers aufweist. Fünfzehn Brennstäbe P sind an
Stellen vorgesehen, welche den Wasserspalt aber nicht der Steuer
platte R zugewandt sind, und ein Brennstab P befindet sich an
derjenigen Ecke, die der Mittelachse der Steuerplatte R zuge
wandt ist. Die Brennstoffanordnung weist außerdem achtundvier
zig übliche Brennstäbe 10 auf. Diese Ausführungsform führt zu
einer Steigerung des wirksamen Multiplikationsfaktors bei hohen
Temperaturen und zur Erniedrigung des effektiven Multiplika
tionsfaktors bei kalten Temperaturen, mit dem Vorteil der Auf
rechterhaltung des Abschalt-Bereichs des Reaktors.
Fig. 26 ist eine Draufsicht auf die neunzehnte Ausführungsform
der Erfindung, die neun Unterbündel 30 aufweist, welche durch
Wasserspalte 31 voneinander getrennt sind. Jedes Unterbündel 30
besteht aus neun Brennstäben 10. Siebzehn Brennstäbe P sind so
angeordnet, daß sie dem Wasserspalt nicht aber der Steuerplat
te R zugewandt sind, und ein Brennstab P 2 mit Zwischenkörper be
findet sich an derjenigen Ecke, die der Mittelachse der Steuer
platte R zugewandt ist. Das mittlere Unterbündel enthält Brenn
stäbe P 1, und demgemäß weist die Brennstoffanordnung dieser Aus
führungsform siebzehn Brennstäbe P, neun Brennstäbe P 1, einen
Brennstab P 2 und vierundfünfzig übliche Brennstäbe 10 auf. Die
Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform führt zu einer Stei
gerung des wirksamen Multiplikationsfaktors bei hohen Tempera
turen und zu einer Erniedrigung des wirksamen Multiplikations
faktors bei kalten Temperaturen, d. h. es sorgt für eine Auf
rechterhaltung eines großen Reaktor-Abschaltbereichs.
Fig. 27 ist eine Draufsicht auf die zwanzigste Ausführungsform
der Erfindung, wobei neun Unterbündel und ein großes Wasserrohr
33 vorgesehen sind, dessen Größe fünf üblichen Brennstäben ent
spricht und das im Mittelbereich der Brennstoffanordnung unter
gebracht ist. Die an den Ecken der Brennstoffanordnung üblicher
weise vorhandenen Brennstäbe sind weggelassen, und die Eckflä
chen des Kanalkastens sind abgeschrägt. Die Brennstäbe 10 sind
zusätzlich an den Spalten 34 zwischen dem Außenumfang des run
den Wasserrohrs 33 und den Unterbündeln 32 angeordnet. Aufgrund
dieser besonderen Anordnung sind die im Kanalkasten auftreten
den Spannungsbelastungen wirkungsvoll vermindert, so daß die
Wandstärke des Kanalkastens verringert werden kann. Der effek
tive Multiplikationsfaktor während des Hochtemperaturbetriebs
wird verbessert, und während des Kaltbetriebs ist Wasser im
Überschuß vorhanden, so daß sich der Abschaltbereich des Reaktors
verbessert. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform weist
vierzehn Brennstäbe P mit Zwischenkörpern auf, und unter der
Voraussetzung, daß jeder Zwischenkörper eine axiale Länge von
30 cm hat, vermindert sich die Uranmenge um einen Betrag ent
sprechend 1,17 Brennstäbe. Haben die Zwischenkörper jeweils eine
Axiallänge von 45 cm, dann vermindert sich die Uranmenge um ei
nen Betrag entsprechend 1,75 Brennstäbe. Im letzteren Fall ent
spricht die gesamte Verminderung 6,75 Brennstäben, weil das
Wasserrohr eine Größe entsprechend fünf Brennstäben hat. Bei ei
ner Brennstoffanordnung von 9×9 Stäben und einem Wasserrohr
einer Größe entsprechend neun Stäben beträgt jedoch der Gesamt
gewinn 2,25 Brennstäbe.
Fig. 28 ist eine Draufsicht auf die einundzwanzigste Ausführungs
form der Erfindung. Die Brennstoffanordnung dieser Ausführungs
form weist Brennstäbe 10 in einer Anordnung gleich derjenigen
von Fig. 21 auf, jedoch sind hier zwei große, runde Wasserrohre
33 A und 33 B vorgesehen, zwischen denen fünf Brennstäbe P 1 mit
Zwischenkörpern vorgesehen sind. Die Brennstoffanordnung weist
somit siebzehn Brennstäbe P 1 und einen Brennstab P 2 jeweils
mit Zwischenkörpern auf. Spalte 36 befinden sich zwischen den
entsprechenden Unterbündeln 37, wie dies in den Fig. 22 und 23
zu sehen ist. Durch die Wasserrohre 33 A und 33 B und durch die
Brennstäbe P 1 wird in Höhe der Zwischenkörper ein großer Be
reich ohne Brennstoff gebildet, so daß ein großer Abschaltbe
reich des Reaktors erreichbar ist.
Fig. 29 ist eine Draufsicht auf die zweiundzwanzigste Ausfüh
rungsform, die auf einen Reaktorkern eines Druckwasser-Reaktors an
wendbar ist. Die Brennstoffanordnung weist 17×17 (17 Spalte
und 17 Reihen) von Brennstäben auf, nämlich zweihundertvierund
sechzig Brennstäbe 10 und 11, fünfundzwanzig Wasserrohre 17 und
vierundsechzig Brennstäbe 11, welche als Brennstäbe vom P-Typ
am Außenumfang vorgesehen und mit Zwischenkörpern versehen sind.
Weil sich zwischen den entsprechenden Brennstoffanordnungen des
Druckwasser-Reaktors kein Wasserspalt befindet, bilden zwei Rei
hen von Brennstäben P, die in den entsprechenden Brennstoffan
ordnungen befinden und nebeneinander liegen, brennstofffreie
Zonen, und zwar an denjenigen Stellen, in die Zwischenkörper
eingesetzt werden. Während der Reaktor-Abschaltperiode trennt
das Wasser in diesen Bereichen die Brennstäbe voneinander, und
während des Hochtemperaturbetriebs ergibt sich eine Verbesse
rung des Bindungseffekts durch Verminderung der Wasserdichte
(65 bis 70% während der kalten Abschaltperiode). Bei einem
Druckwasser-Reaktor werden keine Dampfblasen erzeugt, so daß
dann, wenn die brennstofffreie Zone groß ist, der Bindungs
effekt ungenügend wird, und zwar selbst während der Hochtempe
raturperiode. Das Ausmaß dieses Nachteils ist jedoch bei die
ser Ausführungsform erträglich. Die Reihen von Brennstäben P
können im Inneren der Brennstoffanordnung angeordnet werden.
Die axiale Höhe des Bereichs der Zwischenkörper unterscheidet
sich von der entsprechenden Höhe in einem Siedewasser-Reaktor,
jedoch kann es auch vorteilhaft sein, den Zwischenbereich
(Zwischenkörper) im axial mittleren Teil der Brennstäbe oder
geringfügig darüber vorzusehen, und zwar unter Beachtung des
Einflusses der Leistungsunterdrückung im oberen Teil infolge
des Einsetzens des Steuerstabs. Unter der Voraussetzung, daß
jeder der vierundsechzig Brennstäbe P einen Zwischenkörper ei
ner Axiallänge von 30 cm beinhaltet, wird die Menge an UO2 um
einen Betrag entsprechend 5,33 Brennstäben verringert. Dies
entspricht einer Verminderung von 2% der Brennstäbe in einer
Brennstoffanordnung von 264 Brennstäben; die Verminderung kann
jedoch dadurch ausgeglichen werden, daß die relative Anreiche
rung der Brennstäbe um 2% erhöht wird, beispielsweise von
3,5 wt% auf 3,57 wt%.
Die Fig. 30A bis 30D zeigen Schnitte durch Brennstäbe vom P-Typ
mit Zwischenkörpern.
Die Brennstäbe von Fig. 30A weisen eine Zone des Hüllrohrs 40
auf, in welcher sich kein Brennmaterial befindet, wobei die
brennstofffreie Zone eine axiale Länge von 15 bis 90 cm hat,
wobei diese Zone mit Graphit 41 angefüllt ist. Der Graphit 41
hat eine bessere Hochtemperatur-Charakteristik und absorbiert
weniger thermische Neutronen, so daß er sich als Moderator eig
net. Al2O3 und ZrO2 geringer Dichte, beispielsweise als porö
ses Material, haben nur eine geringe Moderationsfähigkeit aber
ausgezeichnete Hochtemperatur-Widerstandsfähigkeit, so daß der
artige Materialien mit niedriger Neutronen-Absorptionsfähigkeit
verwendet werden können. Hohle Graphit-Körper, hohle Körper aus
Al2O3, hohle Körper aus ZrO2, hohle Körper aus natürlichem Uran
und Hohlkörper aus verbrauchtem Uran können anstelle eines mas
siven Graphitkörpers ebenfalls Verwendung finden. Bei Verwendung
von derartigem hohlem Material wird der hohle Innenraum dann als
Gasraum verwendet. Wird massives natürliches oder verbrauchtes
Uran verwendet, dann ist die Folge, daß die vorteilhaften Wir
kungen vorliegender Erfindung möglicherweise geringfügig bei
beinträchtigt werden.
Der wichtigste Punkt bezüglich der Eigenschaften dieses frag
lichen Bereichs liegt darin, daß das thermische Neutronen-Ab
sorptionsverhältnis in der Endstufe des Reaktorzyklus kleiner
ist als dasjenige der Brennstoffzonen an beiden axialen Seiten
dieser Brennzone. Benachbart dem Graphit 41 befindliches Brenn
material führt nämlich in einem Bereich von etwa 2 cm (bis höch
stens 5 cm) zu Leistungsspitzen, was bezüglich der Geräuschbil
dung des Brennstoffs nachteilig ist. Demgemäß werden zwei Brenn
stoff-Pellets 42 einer Länge von jeweils etwa 2 cm, die brennba
res Gift enthalten, nur in den Bereichen nahe der Achse angeord
net. Diese Pellets 42 enthalten kein brennbares Gift im Bereich
ihres Außenumfangs, und es kann über den gesamten Reaktor-Zyklus
ein Leistungsausgang mit vergleichsweise geringer Schwankung er
reicht werden. Es ist wünschenswert, die Brennstäbe so zu gestal
ten, daß die Absorptionseigenschaft des Gifts dann verschwindet,
wenn der Reaktor-Zyklus sich seiner Endstufe nähert und die Aus
gangsleistung dieses Bereichs sich leicht erhöht.
Die gegenseitige Beeinflussung der Neutronen (Bindungs-Effekt)
in dem horizontalen Brennstoffbereich neben einem Zwischenbereich
wird vermindert, mit der Folge, daß der unterkritische Zustand
des Reaktors während der Abschaltphase noch größer gemacht werden
kann.
Der Unterschied zwischen den Brennstäben von Fig. 30A und denje
nigen von Fig. 30B besteht darin, daß ein Rohr 44 aus Zirkon-
Legierung mit geringem Neutronenquerschnitt sich im Brennstab
von Fig. 30B befindet, und zwar anstelle des Graphits 41, wobei
viele Modifikationen möglich sind, beispielsweise:
(1) Wird das Rohr als Gasraum verwendet, dann wird es nicht ab
gedichtet. In diesem Fall kann der Gasraum im oberen Bereich des
Brennstoffs weggelassen oder verkürzt werden, so daß der Durchmes
ser des Brennstabs kleiner wird und sich damit der Strömungs
raum für das Kühlmittel vergrößert, mit der Folge einer Ver
minderung des Druckabfalls.
(2) Wird in das Rohr ZrH2 (Zirkonhydrid) in hoher Konzentra
tion eingefüllt, dann ist es erwünscht, eine Abdichtung für
das ZrH2 (exakter: ZrHx mit <x<2) im Rohr zu schaffen, wo
bei die Zahl x für die Zwecke der Erfindung einen großen Wert
haben soll, weil ZrHx spröde wird, wenn der Wert von x groß
wird. Ein vergleichsweise kleiner Spalt wird im Rohr vorgese
hen, und zwar als Raum für H2-Gas, welches in kleinen Mengen
aus dem ZrH2 austritt.
(3) Be und BeO, die Gifte darstellen, werden vorzugsweise in
das Rohr eingegeben. Weil He-Gas bei der Reaktion zwischen Be
und Neutronen entsteht, muß im Rohr ein kleiner Gasraum für das
entstehende He-Gas freigehalten werden.
Zwischen dem Rohr 44 aus Zirkonlegierung und dem Brennstoff-
Pellet 43 werden thermisch isolierende Pellets 45 zur Verminde
rung der Geräuschbildung des Brennstoffs eingesetzt, etwa Al2O3,
ZrO2, Yb2O3-HfO2, verbrauchtes Uran oder dergleichen. Bevorzugt
ist, daß die thermisch isolierenden Pellets 45 nur eine kleine
thermische Neutronenabsorption in der Endstufe des Reaktorzyklus
haben,und demgemäß werden ein brennbares Gift enthaltendes
Al2O3-Gd2O3-Pellet oder Pellets aus verbrauchtem Uran UO₂-Gd₂O₃
bevorzugt verwendet. Bei Brennstoff-Pellets axial benachbart dem
Rohr 44 aus Zirkonlegierung ist es wünschenswert, die Pellets 42,
in denen sich brennbares Gift befindet, so auszubilden bzw. anzu
ordnen, daß sich eine Länge von etwa 2 cm (höchstens 5 cm) von
deren Ende aus ergibt.
Obwohl bei der Ausführungsform von Fig. 30B die Pellets 42, in
welche Gd-Pellets geringen Durchmessers eingesetzt sind, dar
gestellt sind, so kann doch auch so vorgegangen werden, daß man
das Gd vollständig in die Pellets 42 einmischt. Dies ist auch
anwendbar auf die Brennstäbe der Fig. 30A und 30C.
Der Unterschied zwischen den Brennstäben von Fig. 30B und
denjenigen von Fig. 30C besteht darin, daß Wasser in die
Brennstäbe der Fig. 30C eingefüllt ist. So sind in die Brenn
stäbe von Fig. 30C Wasserlöcher 46 eingeformt, und zwar in die
oberen und unteren Teile des Hüllrohrs 40, und zwar an einer
Stelle, wo sich das Rohr aus Zirkonlegierung befindet. Außer
dem sind ein Zwischenstopfen 47 und thermisch isolierende Pel
lets 45 an der Oberseite und an der Unterseite der entsprechen
den Wasserlöcher 46 vorhanden. Die Brennstoff-Pellets 42, in
denen sich brennbares Gift befindet, sind über und unter dem
Zwischenstopfen 47 und dem thermisch isolierenden Pellet 45 an
geordnet, und die Brennstoff-Pellets 43 befinden sich noch wei
ter oben bzw. noch weiter unten als die Brennstoff-Pellets 42
im Hüllrohr.
Der Unterschied zwischen den Brennstäben von Fig. 30D und den
jenigen von Fig. 30A besteht darin, daß die Brennstäbe von
Fig. 30D mit einer Zwischenschicht 78 versehen sind, in der
ein brennbares Gift dem Graphit (oder Al2O3, ZrO2, Al2O3-ZrO2)
zugemischt ist. Bei dieser Ausführungsform ist also das brenn
bare Gift nicht dem eigentlichen Brennstoff zugegeben, was die
Herstellung der Brennstäbe erleichtert.
Fig. 31 ist eine Draufsicht auf die dreiundzwanzigste Ausfüh
rungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind ver
kürzte Brennstäbe 51 verwendet, wobei jeweils der obere Teil
entfernt ist, so daß ihre axiale Länge klein ist. Nachfolgend
werden diese kurzen Brennstäbe mit "Brennstäbe Q" bezeichnet.
Außerdem sind Brennstäbe 52 vorhanden, wie sie in den Fig. 32
und 33 dargestellt sind; diese Brennstäbe werden mit "Brenn
stäbe T" bezeichnet. Die Brennstäbe befinden sich in einem Ka
nalkasten 13, und zwar zusätzlich zu den üblichen Standard-
Brennstäben 10. Die Brennstäbe T bestehen gemäß Fig. 32 aus ei
ner oberen Hälfte 53 A, einer unteren Hälfte 53 B mit größerem
Durchmesser als ihn die obere Hälfte 53 A hat, und einem Ver
bindungskörper 56, welcher die obere und untere Hälfte des
Brennstabs miteinander verbindet. Thermisch isolierende Pel
lets 57 zur Unterdrückung von Leistungsspitzen befinden sich
am unteren Ende der Brennstoff-Pellets 58 der oberen Hälfte
53 A und am oberen Ende der Brennstoff-Pellets 58 der unteren
Hälfte 53 B des Brennstabs. Die Brennstäbe T von Fig. 33 sind
mit einem Graphit enthaltenden Bereich 59 am oberen Ende der
thermisch isolierenden Pellets 57 versehen, die am oberen En
de der unteren Hälfte 53 B des Brennstabs vorhanden sind. Die
Verbindungskörper 56 sind nahe von Abstandhaltern 60 angeord
net. Die örtliche Anordnung der thermisch isolierenden Pellets
57 und der hohlen Graphitbereiche 59 in der Brennzone mit zwi
schengeschaltetem Verbindungskörper 56 unterstützt die Vermei
dung des Auftretens von Leistungsspitzen, und aus diesem Grund
wird der Graphit enthaltende Bereich 59, der eine hohe thermi
sche Widerstandsfähigkeit, eine geringe thermische Neutronen-
Absorption und eine gute Moderationsfähigkeit besitzt, nahe
dem mittleren Verbindungsbereich angeordnet; alternativ kann
das thermisch isolierende Pellet 57 (das Leistungsspitzen un
terdrückt), welches aus einem Material hoher Hitzebeständigkeit
besteht, etwa aus Al2O3, Yb2O3-HfO2 oder Al2O3-Gd2O3, benach
bart dem mittleren Verbindungsbereich, angeordnet werden.
Der Brennstab 52 vom T-Typ wird an der Seite des Wasserspalts
angeordnet, in welchen die Steuerplatte R nicht eintaucht, wo
hingegen der Brennstab 51 vom Q-Typ nahe der der Steuerplatte R
zugewandten Ecke angeordnet wird.
Fig. 34 ist eine Draufsicht auf die vierundzwanzigste Ausfüh
rungsform der Erfindung, bei welcher die Brennstäbe 51 vom Q-Typ
in Kreuzform angeordnet sind und sich im Zentrum ein Wasserrohr
12 befindet.
Die Fig. 35 und 36 sind Draufsichten auf die fünfundzwanzigste
bzw. sechsundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung, und bei
diesen Ausführungsformen sind Brennstäbe 53 vom F-Typ als
Ankerstab angeordnet, und zwar zusätzlich zu den Brennstäben
52 vom T-Typ und 51 vom Q-Typ. Die Brennstäbe 53 vom F-Typ
sind ebenfalls teilweise an der Seite des Wasserspalts ange
ordnet, in welchen die Steuerplatte R eintaucht, also anstel
le der Brennstäbe 52 vom T-Typ.
Fig. 37 und 38 sind Draufsichten auf die siebenundzwanzigste
und achtundzwanzigste Ausführungsform, wobei Wasserspalte 54
und 55 sich zwischen den entsprechenden Unterbündeln befinden.
Die Entfernung zwischen denjenigen Brennstäben, welche dem Was
serspalt 54 oder 55 zugewandt sind, ist geringfügig größer als
derjenige der anderen Brennstäbe. Aufgrund dieser Anordnung er
gibt sich ein einzigartiger Effekt bezüglich der Resonanz-Durch
laßwahrscheinlichkeit und bezüglich des thermischen Faktors, und
zwar in Abhängigkeit von der Wasserdichte, und der infinitesimale
Multiplikationsfaktor der Brennstoffanordnung kann während der
Abschaltperiode des Reaktors klein gemacht werden, während der
Betriebsperiode des Reaktors dagegen groß.
Fig. 39A und 39B zeigen ein Beispiel einer Brennstoffanordnung
zur Verbesserung des Abschaltbereichs des Reaktors durch Erhö
hung der Wassermenge innerhalb des Kanalkastens 13. Die Brenn
stoffanordnung dieses Beispiels beinhaltet ein quadratisches
Wasserrohr 12, das mittig angeordnet ist, und Brennstäbe 10 so
wie verkürzte Brennstäbe 51 vom Q-Typ, die in regelmäßiger Wei
se angeordnet sind, mit Ausnahme des mittleren Bereichs der
Brennstoffanordnung. Die Brennstoffanordnung wird durch eine
obere Halteplatte 14, nicht-gezeichnete Abstandhalter und eine
untere Halteplatte 15 gesichert und ist von einem Kanalkasten
13 umgeben. Der Kanalkasten 13 besteht aus einem oberen Teil 13 A
mit geringer Wandstärke und einem unteren Teil 13 B mit großer
Wandstärke, wobei der Grenzbereich dieser Teile 13 A und 13 B
sich nahe einer Stelle befindet, die vom unteren Ende der Brenn
stoffanordnung um eine Strecke entfernt ist, die etwa 3/4 der
Gesamtlänge entspricht. Der obere Teile 13 A hat vier dünne
Wände oder zwei dünne Wände, welche dem Wasserspalt zuge
wandt sind, in welchen die Steuerplatte nicht eintaucht. Die
Wanddicke des oberen Teils 13 A des Kanalkastens 13 kann da
durch dünner gemacht werden, daß seine äußere und seine inne
re Oberfläche abgearbeitet werden.
Wie oben beschrieben,werden bei den Brennstoffanordnungen
nach der Erfindung die Atomzahldichten des spaltbaren Materials
in denjenigen Brennstäben, welche dem Wasserspalt zugewandt
sind, in den die Steuerplatte nicht eintaucht, kleiner gemacht
als die Atomzahldichten in den Brennstäben, die sich in ande
ren Bereichen befinden, so daß die relative Ausgangsleistung
der der Steuerplatte zugewandten Brennstäbe größer gemacht wird.
Die Wirksamkeit der Steuerplatte wird damit verbessert und die
relative mittlere Leistung der Brennstäbe benachbart den Wasser
spalten verkleinert. Der Reaktor-Abschalt-Sicherheitsbereich
kann somit durch Verminderung der Differenz verbessert werden,
die sich zwischen den Reaktivitätszuständen des Leistungsbe
triebs und des Kaltbetriebs ergibt.
Darüber hinaus wird mit der erfindungsgemäßen Brennstoffanord
nung die gegenseitige Neutronenbeeinflussung (Bindungseffekt)
zwischen den Brennstoffbereichen horizontal benachbart den Be
reichen (Zwischenbereichen) niedriger Dichte an spaltbarem Ma
terial während der Abschaltperiode verbessert, mit der Folge,
daß der unterkritische Zustand des Reaktors während der Ab
schaltperiode vergrößert werden kann. Die Anordnung der Brenn
stäbe mit Zwischenkörpern an derjenigen Seite des Wasserspalts,
wo die Steuerplatte nicht eintaucht, führt zu einer Vergröße
rung des Wasserspalts zwischen benachbarten Brennstoffanordnun
gen. Schließlich wird der Multiplikationsfaktor während der
Reaktor-Abschaltperiode erniedrigt, also der unterkritische Zu
stand größer gemacht, wohingegen der Multiplikationsfaktor wäh
rend des Hochtemperaturbetriebs wieder auf seinen ursprüngli
chen Wert erhöht werden kann.