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Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern für einen
Siedewasserkernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Üblicherweise ist jeder Brennstab in einem Brennelement der
im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art über seine
ganze Länge mit dem gleichen Anreicherungsgehalt an
spaltbarem Material (im folgenden lediglich als "Anreicherung"
bezeichnet) versehen.
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Während des Betriebes eines Siedewasserkernreaktors mit
einem Kern, der mehrere Brennelemente der oben genannten Art
enthält, besteht die Gefahr eines sogenannten Austrocknens,
d.h., daß der auf der Oberfläche jedes Brennstabes
vorhandene Wasserfilm verschwindet oder in verschiedenden
Bereichen aufreißt. Dies führt lokal zu einer beträchtlich
verschlechterten Wärmeübertragung zwischen Brennstab und dem
durch das Brennelement geleiteten Wasser, was zu einer stark
erhöhten Wandtemperatur des Brennstabes führt. Die erhöhte
Wandtemperatur kann am Brennstab zu Schäden mit ernsten
Konsequenzen führen.
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Bei bestehenden Konstruktionen mit der gleichen Anreicherung
über die gesamte Länge jedes Brennstabes ist zur Erzielung
eines ausreichenden Sicherheitsabstandes gegen Austrocknen
die Leistungsausbeute geringer als sie es sonst wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktorkern
für einen Siedewasserkernreaktor zu entwickeln, der eine
verbesserte Sicherheit gegen Austrocknen bietet ohne die
erreichbare Leistung zu verkleinern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Reaktorkern für einen
Siedewasserkernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Auspruches
1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
zusätzlichen Ansprüchen genannt.
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Das günstige Ergebnis gemäß der Erfindung wird durch eine
Umverteilung des Brennstoffs erreicht, wodurch eine
spezielle Anreicherungsverteilung in Längsrichtung der
Brennstäbe erreicht wird.
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Die Länge des oberen Teils eines Brennstabes besteht
zweckmäßigerweise aus einem Viertel bis zwei Drittel,
vorzugsweise einem Drittel bis zwei Drittel der aktiven Länge des
Brennstabes, und der untere Teil besteht aus dem
verbleibenden Teil der aktiven Länge des Brennstabes. Unter aktiver
Länge des Brennstabes wird in dieser Beschreibung der
achsiale Teil des Brennstabes verstanden, der nukleares
Brennmaterial enthält.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die
für ein gutes Abschaltmarginal des Reaktors sorgt, ist die
mittlere Anreicherung der zentralen Stäbe und der Randstäbe
in einem horizontalen Schnitt im Bereich des oberen Teils
der Brennstäbe um 5 bis 15% niedriger als in einem Bereich
im unteren Teil der Brennstäbe.
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Es ist an sich bekannt, Brennstäbe mit unterschiedlichen
Anreicherungen in verschiedenen Teilen der Länge der
Brennstäbe zu versehen, um in anderer Weise als oben angegeben
die Eigenschaften des Reaktorkerns und den Betrieb des
Kernreaktors zu beeinflussen. Beispielsweise beschreibt die DE-
A-40 14 861 einen Kernreaktor mit Brennelementen, bei denen
die zentralen Stäbe über ihre gesamte Länge mit derselben
Anreicherung vesehen sind, während die Randstäbe in ihren
oberen Abschnitten höhere Anreicherungen haben. Die
Verteilung des Brennstoffes ist so angeordnet, daß eine
ökonomische Verwendung des Brennstoffes erzielt wird.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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Figur 1 einen vertikalen Schnitt längs der Linie I-I in
Figur 2 eines aus vier Teilbrennelementen
zusammengesetzten Brennelementes, welches für die Anwendung
der Erfindung geeignet ist,
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Figur 2 dasselbe zusammengesetzte Brennelement in einer
Ansicht senkrecht zu einer horizontalen Ebene längs
der Linie II-II in Figur 1,
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Figur 3 einen horizontalen Schnitt längs der Linie III-III
in Figur 1,
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Figur 4 einen Teil eines horizontalen Schnittes durch einen
Reaktorkern,
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Figur 5 einen Brennstab aus einem Brennelement in vertikalem
Schnitt,
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Figur 6 ein Brennelement gemäß den Figuren 1 bis 3 mit
Bezeichnungen für zentrale Stäbe und Randstäbe,
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Figuren 7 und 8 eine detaillierte Anreicherungsangabe für
den oberen beziehungsweise unteren Teil eines
Brennelementes gemäß Figur 6,
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Figuren 9 bis 12 alternative Ausführungsbeispiele von
Brennelementen, die zur Verwendung gemäß der Erfindung
geeignet sind.
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Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Brennelement enthält
einen Brennstoffkanal 1 mit im wesentlichen quadratischem
Querschnitt. Der Brennstoffkanal umgibt ohne nennenswertes
Spiel einen oberen quadratischen Teil eines Bodenteils 2 mit
einer kreisförmigen nach unten gerichteten Eintrittsöffnung
3 für Kühlwasser und Modeatorwasser. Das Bodenteil 2 trägt
neben dem Brennstoffkasten 1 eine Tragplatte 4. An seinem
unteren Ende hat der Brennstoffkasten 1 einen relativ dicken
Randabschnitt, der an dem Bodenteil 2 und der Tragplatte 4
mittels einer Vielzahl von horizontalen Bolzen, die durch
strich-punktierte Linien 5 angedeutet sind, befestigt ist.
Mittels eines hohlen Traggliedes 7 mit kreuzförmigem
Querschnitt ist der Brennstoffkasten 1 in vier vertikale
rohrförmige Teile 6 von mindestens im wesentlichen quadratischem
Querschnitt unterteilt. Das Tragglied 7 ist an die vier
Wände 1a, 1b, 1c und 1d des Brennstoffkastens 1 angeschweißt
und hat vier hohle Flügel 8. Der von dem Tragglied gebildete
kreuzförmige Kanal 32 ist an seinem Boden mit einem
Eintrittsrohr 9 für Moderatorwasser verbunden. Jedes
rohrförmige Teil 6 enthält ein Bündel 25 aus fünfundzwanzig
Brennstäben 10 (und eventuellen keine Energie produzierenden
Stäben). Die Brennstäbe sind in einem symmetrischen Gitter aus
fünf Reihen zu je fünf Stäben angeordnet. Jeder Stab gehört
zu zwei zueinander senkrecht verlaufenden Reihen. Zu jedem
Bündel gehört ein Fußstück 11, ein Kopfstück 12 und eine
Mehrzahl von Abstandshalter 13. Ein Brennelementbündel mit
einem Fußstück 11, einem Kopfstück 12, Abstandshalter 13 und
einem rohrförmigen Teil 6 bildet eine Einheit, die in dieser
Anmeldung als Teilbrennelement 40a bezeichnet wird, während
der in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Gegenstand, der vier
solche Teilbrennelemente umfaßt, als ein zusammengesetztes
Brennelement 40 bezeichnet wird. In dem zusammengesetzten
Brennelement werden die vier Fußstücke 11 von der Tragplatte
4 getragen und jedes ist teilweise in ein entsprechendes
quadratisches Loch 14 in die Tragplatte 4 eingelassen. In
jedem Teilbrennelement ist mindestens einer der Brennstäbe
mit relativ langen, mit Gewinde versehenden Endstopfen 33
und 34 aus massivem Füllrohrmaterial versehen, wobei der
untere Endstopfen 33 durch das Fußstück 11 ragt und mit einer
Mutter 15 versehen ist und der obere Endstopfen 34 durch das
Kopfstück 12 ragt und mit einer Mutter 16 versehen ist. In
der gezeigten Ausführungsform ist der zentrale Stab 26 in
dieser Weise ausgeführt. Dieser Stab dient auch als ein
Haltestabe für Abstandshalter. Ein oberer Endabschnitt des
Brennstoffkastens 1 umgibt eine kreuzförmige Hebeplatte 17
mit vier horizontalen Armen 18,19,20 und 21, die von einem
gemeinsamen zentralen Teil ausgehen. An seinem äußeren Ende
hat jeder Arm einen pfeilspitzenartigen Abschnitt 22, die in
entsprechenden Ecken des Brennstoffkastens 1 in Kontakt mit
der inneren Wandoberfläche des Brennstoffkastens 1 stehen.
Ein Hebegriff 23 ist an den Armen 20 und 21 befestigt. Die
Hebeplatte 17 und der Griff 23 bilden zusammen ein Hebeglied
aus Stahl, das in einem Stück gegossen ist. Die Hebeplatte
17 ist an dem Tragglied 7 befestigt durch Einführung jedes
von vier vertikalen Stäben 28 in einen entsprechenden Flügel
8 des Traggliedes 7 und Festschweißen an demselben. An
seinem oberen Ende hat jeder Stab 28 einen vertikalen
bolzenartigen Abschnitt 29, der mit Spiel durch ein entsprechendes
Loch im Mittelteil der Hebeplatte 17 geführt ist und mit
einer Mutter 30 versehen ist. Wie sich aus den Figuren ergibt,
ist der Brennstoffkasten 1 mit Eindrückungen 31 versehen,
die mit Abstand voneinander in Längsrichtung des
Brennstoffkastens angeordnet sind, und an denen das Tragglied 7
festgeschweißt ist.
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Figur 4 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus einem
horizontalen Schnitt durch den Reaktorkern. Der Schnitt umfaßt neun
vollständige zusammengesetzte Brennelemente 40 der in den
Figuren 1 bis 3 gezeigten Art. Von den Brennelementen ist
nur eines detailliert dargestellt, die anderen sind nur als
leere Quadrate dargestellt. Der Raum zwischen den
Brennstäben 10 innerhalb jedes Teilbrennelements 40a jedes
zusammengesetzten Brennelementes 40 wird von Wasser durchströmt. Das
gleiche gilt für den kreuzförmigen Kanal 32 in dem
Brennelement 40. Die Spalte 37a und 37b zwischen den Brennelementen
40 werden ebenfalls von Wasser durchströmt. Diejenigen
Spalte 37a, in die die Steuerstäbe 38 eingeführt werden
können, sind breiter als diejenigen Spalte 37b, in die keine
Steuerstäbe eingeführt werden können. Die Steuerstäbe 38
haben Flügel (38a, 38b, 38c und 38d), die ein rechtwinkliges
Kreuz bilden.
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Wie sich aus Figur 5 ergibt, gehört zu jedem Brennstab 10
ein Hüllrohr 41 und eine große Anzahl kreiszylindrischer
Pellets 42, die in achsialer Richtung des Rohres
übereinandergestapelt sind. Neben denjenigen Pellets, die am
dichtesten an jedem Ende des Brennstabes liegen und die aus
Oxid natürlichen Urans bestehen, bestehen die Pellets
herkömmlicherweise aus Urandioxyd, welches hinsichtlich U 235
angereichert ist. In einer kleinen Anzahl von Pellets ist
das Urandioxid mit einem brennbaren Absorber gemischt, wie
zum Beispiel Gd&sub2;O&sub3;. Das unterste Pellet ruht starr auf einem
Endstopfen 43, der an das untere Ende des Stabes
angeschweißt ist, und das oberste Pellet wird durch eine
Spiralfeder 44 nach unten gepreßt, die gegen einen Endstopfen 45
gespannt ist, der an das obere Ende des Rohres derart
angeschweißt wird, daß ein mit Helium gefüllter freier Raum 46
geschaffen wird. Dieser Freiraum, in dem kein nukleares
Brennmaterial vorhanden ist, ist daher nicht Teil der
aktiven Länge des Brennstabes. Pellets aus Natururan zählen zu
der aktiven Länge des Brennstabes.
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Die Figuren 6 bis 8 zeigen ein zusammengesetztes
Brennelement 40, das zur Verwendung gemäß der Erfindung geeignet
ist. Wie sich aus Figur 6 ergibt, enthält das Brennelement
Brennstäbe 10, nämlich zentrale Stäbe 10a, die von
Randstäben 10b umgeben sind, wobei die letzteren dicht an einem
Wasserspalt 37a, 37b oder dicht an einem inneren Wasserkanal
32 liegen. Die zentralen Stäbe und Randstäbe sind mit 10a
beziehungsweise 10b nur in einem der Teilbrennelement 40a
bezeichnet. Die anderen Brennelemente sind in analoger Weise
aufgebaut. In dem beispielhaften Fall sind die Stäbe 10a,
10b aus Urandioxid Pellets mit sieben verschiedenen
Anreicherungen aus U 235 aufgebaut, nämlich mit 1,82%, 2,45%,
2,81% 3,21%, 3,95%, 4,33% und 4,60%. Ferner ist eine
kleinere Anzahl von Stäben mit einer Anreicherung von 3,50%
zusammen mit Gadoliniumoxyd im Gehalt von 3,15% vorhanden.
Alle Zahlen bezeichnen den anfänglichen Gehalt an U 235
beziehungsweise Gd&sub2;O&sub3;, bezogen auf das Anfangsgewichts des
Urans. Der größere Teil der zentralen Stäbe 10a ist in einem
oberen Abschnitt, der aus dem obersten Drittel der aktiven
Länge des Stabes besteht, mit einer Anreicherung versehen,
die kleiner ist als im unteren Teil, der aus dem untersten
Teil der aktiven Länge des Stabes besteht, genauer aus zwei
Dritteln desselben. Die Anreicherung der Pellets in dem
oberen beziehungsweise unteren Teil der verschiedenen
Brennstäbe ist im Detail in den Figuren 7 beziehungsweise 8
gezeigt, in denen jedes Quadrat einen identisch angeordneten
Brennstab 10a, 10b der Figur 6 entspricht. Die Stäbe mit
Gadoliniumoxyd sind neben ihrer Kennzeichung mit Anreicherung
an U 235 auch mit Gd gekennzeichnet. In dem als Beispiel
gewählten Fall beträgt die mittlere Anreicherung für die
zentralen Stäbe und Randstäbe in einem horizontalen Schnitt in
dem Bereich, in dem der betrachtete zentrale Stab liegt,
3,31% im oberen Teil des Stabes und 3,60% im unteren Teil
des Stabes, d.h., die mittlere Anreicherung ist im oberen
Teil um 8% geringer als im unteren Teil. Für jeden von
mindestens dem größten Teil der zentralen Stäbe 10a ist das
Verhältnis der Anreicherung in dem betrachteten Stab zu der
mittleren Anreicherung in einem horizontalen Schnitt kleiner
im oberen Teil als im unteren Teil des Brennstabes. Für den
größeren Teil der Randstäbe 10b ist das Verhältnis der
Anreicherung zur mittleren Anreicherung in einem horizontalen
Schnitt größer im oberen Teil als im unteren Teil des
Randstabes.
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Figur 9 zeigt ein anderes zusammengesetztes Brennelement 47,
welches zum Gebrauch gemäß der Erfindung geeignet ist. Das
Brennelement unterscheidet sich von dem in Figur 6 gezeigten
Brennelement dadurch, daß jedes Teilbrennelement 47a aus 24
Brennstäben (und eventuellen keine Engergie produzierenden
Stäben) besteht, die in einem Gitter von 5x5 Stäben
angeordnet sind, wobei derjenige Stab entfernt ist, der am
dichtesten am Zentrum des kreuzförmigen Wasserkanals 32
liegt, wodurch ein vergrößerter zentraler Wasserkanal
geschaffen wird.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10 hat das
Brennelement 48 keinen inneren Wasserkanal. Das Brennelement besteht
aus 64 Brennstäben (und eventuellen keine Energie
erzeugenden Stäben), die in einem Gitter von 8x8 Stäben
angeordnet sind. Solche Stäbe, die an Wasserspalten 37a und 37b
liegen, also die Randstäbe, sind wie zuvor mit 10b
bezeichnet, und diejenigen Stäbe, die von Randstäben 10b umgeben
sind, also die zentralen Stäbe, sind wie zuvor mit 10a
bezeichnet.
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Die in den Figuren 11 und 12 gezeigten Brennelemente 49
beziehungsweise 52 sind mit einem inneren vertikalen Kanal 50
versehen, durch den von unten nach oben Wasser durch das
Brennelement geleitet wird. Die Wand des Kanals ist mit 51
bezeichnet. Sowohl das Brennelement 49 als auch das
Brennelement 52 enthalten 9x9 Brennstabpositionen, wobei 3x3
Brennstabpositionen von dem Kanal 50 eingenommen werden, so
daß jedes Brennelement 72 Brennstäbe enthält. In dem
Brennelement
gemäß Figur 11 ist der Kanal 50 zentral angeordnet,
und die Wasserspalte 37b haben an allen Seiten gleiche
Breite. In dem Brennelement gemäß Figur 12 ist der Kanal 50
in Richtung zu den Spalten 37b verschoben, wobei die Spalte
37a, in die Steuerstäbe eingeführt werden können, breiter
sind als die Spalte 37b. Die Stäbe, die an den Wasserspalten
37b (Figur 11) beziehungsweise an den Wasserspalten 37a und
37b (Figur12) liegen, und diejenigen Stäbe, die am Kanal 50
liegen, also die Randstäbe, sind in beiden Figuren mit 10b
bezeichnet, und die Stäbe, die von den Randstäben umgeben
sind, also die zentralen Stäbe, sind mit 10a bezeichnet.
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Die gleichen Verhältnisse, die bei dem Brennelement gemäß
den Figuren 6 bis 8 herrschen, gelten auch für die
Brennelemente gemäß den Figuren 9, 10, 11 und 12, d.h., das für
jeden von mindestens dem größten Teil der zentralen Stäbe 10
das Verhältnis aus der Anreicherung in dem betrachteten
zentralen Stab zur mittleren Anreicherung in einem horizontalen
Schnitt im oberen Teil kleiner ist als im unteren Teil des
Stabes.
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Ferner gilt in Bezug auf diese Brennelemente für jeden des
größten Teils der Randstäbe 10b, daß das Verhältnis der
Anreicherung in dem betrachteten Randstab zu der mittleren
Anreicherung in einem horizontalen Schnitt im oberen Teil
größer ist als im unteren Teil des Stabes.