DE3901504A1

DE3901504A1 - Brennstoffanordnung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE3901504A1
Application number: DE3901504A
Authority: DE
Inventors: Makoto Ueda; Yoshihira Ando; Shungo Sakurai; Rituso Yoshioka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-01-23
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1989-08-17
Also published as: US5009840A; SE505363C2; SE8900222L; SE8900222D0; DE3901504C2

Description

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.

Claims

1. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor mit einer Vielzahl von Brennstäben, die in regelmäßiger Anord nung in einem von einem Wasserspalt umgebenen Kanalkasten un tergebracht sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von er sten Brennstäben (10-14), die sich an Stellen einer Seite be finden, die einem Wasserspalt zugewandt ist, in den keine Steuerplatte (R) eingeführt oder herausgezogen wird, und durch eine Vielzahl von zweiten Brennstäben (6-9), die sich an den äußeren Stellen im Kanalkasten befinden und Spaltmate rial beinhalten, dessen Atomzahldichte größer ist als dieje nige des spaltbaren Materials in den Brennstäben der ersten Brennstäbe (10-414).

2. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor mit einer Vielzahl von Brennstäben, die regelmäßig angeordnet sind und aus einem Metallrohr und darin befindlichem Brennma terial bestehen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ersten Brennstäben, deren jeder einen wirksamen Gesamt-Brennbereich aufweist, der über die gesamte Axiallänge des Hüllrohrs mit Brennmaterial gefüllt ist, und durch zumindest einen oder mehrere zweite Brennstäbe, deren jeder im Hüllrohr einen Zwi schenkörper aufweist, der eine vorgegebenen Axiallänge be sitzt und in welchem die Anreicherung an spaltbaren Nukleiden beträchtlich vermindert ist, wobei die Axiallänge des Zwischen körpers gleich oder größer als die thermische Neutronen-Diffu sionslänge während der Leistungsperiode des Reaktorbetriebs ist, wobei die axiale Höhe des Orts des Zwischenkörpers im Brenn stab derart gewählt ist, daß sie sich an einer Stelle befindet, welche einen Bereich umfaßt, in dem der unterkritische Zustand während einer Zeitspanne kleiner ist, in der eine Aufrecht erhaltung des Reaktor-Abschaltbereichs während einer Betriebs periode des Reaktors unzulässig ist, und wobei die zweiten Brennstäbe mit ihren Zwischenkörpern zumindest in einem äuße ren Umfangsbereich der Brennstoffanordnung angeordnet sind.

3. Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die axiale Länge der Zwischen körper geringer ist als 1/3 der Länge eines axialen Wärme erzeugungsbereichs der Brennstoffanordnung und daß sich der Zwischenkörper in einer Höhe oberhalb der halben Länge des Wärmeerzeugungsbereichs befindet, gemessen von dessen unterem Ende an.

4. Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die meisten der mit einem Zwi schenkörper versehenen zweiten Brennstäbe in einem äußeren Umfangsbereich der Brennstoffanordnung vorgesehen sind, der demjenigen Wasserspalt zugewandt ist, durch welchen hindurch keine kreuzförmige Steuerplatte eingesetzt oder herausgezo gen wird.

5. Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die mit dem Zwischenkörper ver sehenen zweiten Brennstäbe symmetrisch in einem äußeren Um fangsbereich der Brennstoffanordnung vorgesehen sind, in die eine Steuerplatte aus gebündelten Absorptionsstäben abwech selnd eingeschoben oder aus dieser herausgezogen wird.

6. Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die mit Zwischenkörpern versehe nen zweiten Brennstäbe einen Brennstab beinhalten, der im Be reich des Zwischenkörpers einen Gasraum aufweist, und daß ein Gasraum am oberen Teil des im Zwischenkörper einen Gasraum aufweisenden Brennstabs vermindert oder entfernt ist, um so dessen Durchmesser zu vermindern oder ihn völlig zu entfer nen und damit den Kühlmittel-Strömungsdurchgang zu vergröß ern.

7. Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die mit dem Zwischenkörper ver sehenen zweiten Brennstäbe eine obere Hälfte und eine unte re Hälfte aufweisen, wobei der Außendurchmesser der unteren Hälfte größer ist als derjenige der oberen Hälfte jedes zwei ten Brennstabs.