DE10038856A1 - Verfahren zum Betreiben eines Leistungs-Kernreaktors, betriebsbereiter Kern und Brennelement eines solchen Leistungs-Kernreaktors - Google Patents

Abstract

Für die letzten Betriebszyklen vor dem Abschalten eines Leistungsreaktors werden Abschalt-Brennelemente benutzt, die ein 10 bis 50% größeres Verhältnis von Moderator zu Spaltmaterial besitzen als für Standard-Nachladungen vorgesehene Brennelemente. Insbesondere enthalten die Abschalt-Brennelemente eine größere Anzahl unbesetzter Brennstab-Positionen, insbesondere auch bereits weitgehend abgebrannte Brennstäbe (61) bzw. Wasserstäbe oder Verdrängerstäbe (60). Sie brennen dadurch schneller ab und ermöglichen eine bessere Ausnutzung der noch vorhandenen Standard-Brennelemente. Dadurch werden die Kosten für den Brennstoff und seine Entsorgung gesenkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Leistungs-Kernreak­ tors, mit einem Kern aus mindestens ersten Brennelementen, die bereits in mehr als einem Betriebszyklus im Reaktor ein­ gesetzt und der Strahlung ausgesetzt waren, und zweiten Brennelementen, die noch keinen ganzen Reaktorzyklus einge­ setzt und der Strahlung ausgesetzt waren. Die Erfindung be­ trifft ferner einen betriebsbereiten Kern eines solchen Kern­ reaktors sowie ein betriebsbereites Brennelement für einen solchen Kern.

Der Betrieb von Kernreaktoren, die mit Leichtwasser gekühlt und moderiert werden und auf eine thermische Ausgangsleistung über etwa 1400 MW bzw. eine elektrische Ausgangsleistung über etwa 500 MW ausgelegt sind, wird in regelmäßigen Abständen unterbrochen, um angebrannte und defekte Brennelemente gegen frische Brennelemente auszutauschen. Vor einem neuen Be­ triebszyklus wird daher der für den anschließenden Betrieb vorgesehene Kern aus fabrikfrischen und unbestrahlten Brenn­ elementen und aus Brennelementen zusammengesetzt, die bereits einen oder mehrere Zyklen im Reaktor eingesetzt und der Neut­ ronenstrahlung des Reaktors ausgesetzt waren.

Ein Brennelement ist praktisch am Ende seiner Einsatzzeit und gilt als abgebrannt, wenn seine Neutronenbilanz unter den Be­ triebsbedingungen des Reaktors deutlich negativ wird, d. h., wenn - unter Berücksichtigung von Neutronenverlusten durch Absorption und Abstrahlung - weniger thermische Neutronen im Brennelement erzeugt werden, als bei der Spaltung des spalt­ baren Materials im Kern verbraucht werden. Ein solches Brenn­ element wirkt im Verbund mit den anderen Brennelementen des Kerns also als ein Neutronenverbraucher und kann höchstens nur noch so lange im Kern verbleiben, wie die Neutronenpro­ duktion der anderen Brennelemente des Kerns ausreicht, um den Neutronenverbrauch des praktisch abgebrannten Brennelements zu kompensieren. Werden die abgebrannten Brennelemente dann nicht gegen frische Brennelemente ausgetauscht, die eine ent­ sprechend positive Neutronenbilanz besitzen, so erlischt der Reaktor.

Um die Neutronenbilanz des gesamten Kernes während eines Be­ triebszyklus annähernd konstant auf einem optimalen Wert zu halten, wird das spaltbare Material im Kernbrennstoff übli­ cherweise zusammen mit Isotopen eines Absorbers eingesetzt, die einem hohen Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen besitzen, dabei in Isotope mit einem niedrigen Einfangsquer­ schnitt übergehen und daher bereits während der Bestrahlung im ersten Einsatzzyklus den größten Teil ihrer Absorptionsfä­ higkeit verlieren ("abbrennbarer Absorber", z. B. Gadolinium­ oxid). Ein solches, mit abbrennbarem Absorber vergiftetes Brennelement besitzt also einen Gehalt an spaltbaren Stoffen, der im Lauf der Bestrahlung ständig abnimmt, jedoch eine Re­ aktivität, die im ersten Zyklus seines Einsatzes durch das Abbrennen des Absorbers ("Neutronengiftes") zunimmt und in der Lage ist, die abnehmende Reaktivität der bereits längere Zeit bestrahlten Brennelemente auszugleichen. Auf diese Weise kann über längere Zeit ein Zustand des Kerns mit annähernd konstanter Reaktivität ("stationärer Kern") erreicht werden. Dabei kann durch eine entsprechende Menge an abbringbarem Neutronengift die Reaktivität eines frischen Brennelementes praktisch unabhängig von dem Gehalt an spaltbarem Material eingestellt werden.

Ein großer Teil der Betriebskosten des Reaktors entsteht da­ durch, dass die Kosten für die Entsorgung der abgebrannten Brennelemente gedeckt werden müssen. Daher werden bisher die frischen Brennelemente mit so viel spaltbarem Material ausge­ rüstet, dass sie möglichst lange im Kern verbleiben können. Nach jedem Betriebszyklus ist dann nur eine möglichst geringe Zahl von Brennelementen abgebrannt und muss ausgewechselt werden.

Eine verlängerte Einsatzdauer des Brennelements setzt also einen für diese Einsatzdauer ausreichenden, höheren Vorrat an spaltbarem Material voraus. Aus sicherheitstechnischen Grün­ den ist die Konzentration an spaltbarem Material im Kern­ brennstoff auf 5 Gew.-% an spaltbarem Uran (bzw. bei Mischun­ gen aus Uran und Plutonium oder anderen spaltbaren Transura­ nen einem entsprechenden Äquivalent) beschränkt. Ein größerer Vorrat an spaltbarem Material bedeutet daher auch eine grö­ ßere Masse an Brennstoff.

Die stark positive Neutronenbilanz eines solchen frischen Brennelements mit erhöhtem Gehalt an Spaltmaterial gestattet auch, die negative Bilanz anderer Brennelemente zu kompensie­ ren, also auch die Standzeit der anderen Brennelemente zu verlängern. Ein auf diese Weise nachgeladener Kern enthält daher bestrahlte und frische Brennelemente, wobei die einzel­ nen frischen Brennelemente mehr spaltbares Material enthalten als die bestrahlten Brennelemente vor dem ersten Einsatz des Brennelementes enthalten haben. Entsprechend brennen prak­ tisch alle frischen Brennelemente auch noch, wenn die Mehr­ zahl der bestrahlten Elemente bereits abgebrannt sind. Dabei braucht der Begriff "abgebrannt" nicht genauer definiert zu werden, da ihn der Fachmann kennt.

Allerdings ist die Neutronenbilanz auch davon abhängig, wel­ cher Bruchteil der bei der Kernspaltung entstehenden schnel­ len Neutronen durch den Moderator in thermische Neutronen um­ gewandelt wird. Die vom Brennstoff abgegebene Energie bzw. die darin enthaltene nutzbare Energie ("Abbrand", gemessen in MWd/kgU) ist daher auch vom Verhältnis des Moderators zum spaltbaren Material bzw. des Wasserstoffs zum Uran abhängig. Der Moderator ist - vor allem im Siedewasser-Reaktor, der größere Wasserspalte zwischen seinen Brennelementen besitzt - nicht gleichmäßig über den Kern und über den Querschnitt des Brennelements verteilt, so dass auch der optimale Gehalt an spaltbarem Material und der Abbrand in einem Brennstab davon abhängt, an welchem Ort des Brennelement-Querschnitts der Brennstab eingesetzt wird. Daher haben, z. B. in modernen Sie­ dewasser-Brennelementen, mehr als die Hälfte der Brennstäbe zwischen 4,75 und 4,95% spaltbares Uran im Brennstoff; trotzdem liegt aber ihre mittlere Anreicherung deutlich dar­ unter (etwa zwischen 4,45 und 4,65%), da vor allem an den Ecken des Brennelementes Brennstäbe mit einer Anreicherung des Brennstoffs unter 3% eingesetzt werden.

Um die Gleichmäßigkeit der Moderatorverteilung zu verbessern, werden zumindest in Siedewasser-Reaktoren Brennelemente ein­ gesetzt, deren Brennstäbe in einem gleichmäßigen, gitterarti­ gen Muster über den Brennelement-Querschnitt verteilt sind, wobei aber einige der dadurch definierten Brennstab-Positio­ nen nicht mit Brennstäben besetzt sind, sondern mit Rohren, die flüssiges Wasser führen ("Wasserstäbe") und daher auch in dem oberen Teil des Brennelements, wo das Wasser bereits weitgehend verdampft ist und der Moderator nur noch eine ge­ ringe Dichte aufweist, das Moderator : Brennstoff-Verhältnis verbessern.

Unterdessen ist bei einigen Kernreaktoren vorgesehen, den Be­ trieb nur noch einige Betriebszyklen möglichst ökonomisch weiterzuführen, dann aber endgültig still zu setzen. Der Er­ findung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Bereitstel­ lung von frischen Brennelementen und die Entsorgung der be­ strahlten Brennelemente entstehenden Kosten in diesen letzten Betriebszyklen des Reaktors gering zu halten.

Würde der Reaktor auf die beschriebene Weise durch Nachladung mit den üblichen Standard-Brennelementen nachgeladen und bis zum Abschalten unter praktisch gleichen Bedingungen weiterbe­ trieben, so würde also weiterhin für jedes Brennelement die bisherige Menge an spaltbarem Material bzw. Brennstoff einge­ setzt.

Die Erfindung sieht jedoch vor, den Leistungs-Kernreaktor mit einem Kern zu betreiben, der wie üblich mindestens erste und zweite Brennelemente enthält, wobei die ersten Brennelemente bereits in mehr als einem Betriebszyklus im Reaktor einge­ setzt und der Strahlung ausgesetzt waren, während die zweiten Brennelemente noch keinen ganzen Reaktorzyklus der Bestrah­ lung ausgesetzt waren. Gemäß der Erfindung weisen - bezogen jeweils auf die unbestrahlten Brennelemente vor ihrem Einsatz - die zweiten Brennelemente jeweils eine niedrigere Masse an spaltbarem Material auf als die zweiten Brennelemente.

Bei den Nachladungen wird also Brennstoff eingespart.

Außerdem würde beim Nachladen mit den bisher üblichen Brenn­ elementen und einem anschließenden Betrieb unter praktisch gleichen Bedingungen bei jedem Betriebszyklus die gleiche Menge an Brennelementen entsorgt werden müssen wie bisher, und nach dem letzten Betriebszyklus würden nicht nur die Brennelemente, die das geplante Ende ihrer Einsatzdauer er­ reicht haben, entsorgt werden müssen, sondern auch Brennele­ mente, die erst weniger Betriebszyklen eingesetzt waren und noch abbrennbaren Brennstoff enthalten. Die in diesen, erst teilweise abgebrannten Elementen verbliebene Energie ist also nicht nutzbar; vielmehr müssten auch diese Brennelemente mit dem gleichen Aufwand (oder sogar mit größerem Aufwand wegen der noch vorhandenen Reaktivität) entsorgt werden wie die ab­ gebrannten Brennelemente.

Daher sieht die Erfindung vor, den Reaktorkern in einer Pause zwischen zwei Betriebszyklen mindestens aus ersten und zwei­ ten Brennelementen zusammenzusetzen, wobei die ersten Ele­ mente bereits im Reaktor eingesetzt und bestrahlt waren und ihr noch vorhandenes spaltbares Material mindestens für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen (nämlich bis zum vorgesehenen Abschalten des Reaktors) ausreichen, während die zweiten Brennelemente noch unbestrahlt sind. Gemäß der Erfindung ist das spaltbare Material in den zweiten Brennelementen so be­ messen, dass sie nach Fortsetzung des Reaktorbetriebes in der vorgegebenen Anzahl von Zyklen abgebrannt sind.

Wenn dann also erste Brennelemente abgebrannt sind und nicht nachgeladen werden, erlischt der Reaktor; gleichzeitig ist dann aber auch das Spaltmaterial in den zweiten Brennelemen­ ten abgebrannt. Der Reaktor ist endgültig abgeschaltet.

Der Brennstoff ist also dann gut ausgenutzt und die Entsor­ gung ist erleichtert.

Die Erfindung geht insbesondere davon aus, dass der Brenn­ stoffeinsatz in den letzten Zyklen des Kernreaktors dadurch optimiert werden kann, dass beim Ersetzen abgebrannter Brenn­ elemente zwischen zwei Betriebszyklen folgende Randbedingun­ gen eingehalten werden:

• - Die Anzahl der nachzuladenden Brennelemente wird möglichst gering gehalten, d. h. die Einsatzdauer der vorhandenen, be­ strahlten Brennelemente wird möglichst verlängert. Die Kos­ ten des Brennstoffkreislaufes, die von der Anzahl der zu fertigenden und zu entsorgenden Brennelemente abhängen, wird dadurch verringert.
• - Der Brennstoff in den nachgeladenen, frischen Brennelemen­ ten soll aber schneller abbrennen als in den für übliche Nachladungen vorgesehenen Standard-Brennelementen. Der Brennstoff in den frischen Brennelementen, die weniger Be­ triebszyklen im Kern verbleiben werden, wird dann besser ausgenutzt.

In Weiterbildung der Erfindung werden die beiden Randbedin­ gungen dadurch erfüllt, dass die zweiten Brennelemente ein mindestens um 10% höheres Verhältnis von Wasser zu Brenn­ stoff aufweisen als die ersten Brennelemente, wobei das Ver­ hältnis auch um 50% und mehr höher liegen kann. Ein höheres Verhältnis von Wasser zu Brennstoff erzeugt nämlich eine Re­ aktivitätskurve, die bei praktisch reinem Uran als Brennstoff zu Beginn des Einsatzes höhere Werte aufweist und mit stei­ gender Energieabnahme, also steigendem Abbrand, steiler ab­ fällt als bei sogenannten "Standard-Nachladebrennelementen", d. h. bei Brennelementen, die für einen Betrieb mit stationä­ rem Kern über den vorgesehenen Zeitpunkt der Abschaltung hin­ aus erforderlich wären.

Die Verringerung des spaltbaren Materials und gleichzeitig eine Erhöhung des Verhältnisses von Wasser zu Brennstoff ist möglich, wenn im Brennelement mehr Brennstabpositionen frei bleiben bzw. durch Wasserstäbe oder Verdrängungskörper er­ setzt werden, als bei den bestrahlten Standard-Nachladebrenn­ elementen, die der Kern bereits enthält. Während des ersten Betriebszyklus kann der Einfluss der veränderten Moderator­ verhältnisse auf den Abbrand des Brennelements und die Reak­ tivität des gesamten Kernes durch entsprechende Dosierung von abbrennbarem Neutronengift praktisch kompensiert werden. In den noch verbleibenden Zyklen wird der Brennstoff dann soweit ausgenutzt, dass er beim vorgesehenen Abschalten praktisch abgebrannt ist.

Die zweiten Brennelemente ("Abschalt-Brennelemente") enthal­ ten dann also deutlich weniger Brennstäbe, die nach dem Ab­ schalten entsorgt werden müssen, als die ersten Brennele­ mente. Werden für das Entsorgen (oder zum Versenden an eine Wiederaufbereitungsanlage) die Brennstäbe dicht gepackt und von den Skeletten der Brennelemente getrennt, so bedeutet die geringere Anzahl der zu entsorgenden Brennstäbe eine deutli­ che Verringerung der Entsorgungskosten. Es ist aber auch mög­ lich, aus einem Brennelement nach dem Stillsetzen des Reak­ tors alle Brennstäbe zu entnehmen und in die nicht von Brenn­ stäben besetzten Brennstabpositionen von abgebrannten zweiten Brennelemente einzusetzen. Dadurch müssen dann nur noch eine geringere Zahl von mit Brennstäben besetzten Brennelementen entsorgt werden, während die Entsorgung der Skelette ohnehin nur verhältnismäßig geringe Kosten verursacht. Insbesondere ist es möglich, schon im frischen Brennelement einige der Brennstabpositionen mit Brennstäben zu besetzen, die aus ab­ gebrannten Brennelementen stammen und im frischen Brennele­ ment nur eine geringe spaltbare Masse darstellen.

Der schnellere Abbrand in den Abschalt-Brennelementen mit dem höheren Verhältnis von Moderator zu Brennstoff gleicht die Masse an spaltbarem Material aus, die ihnen - verglichen mit dem ersten Zyklus eines Standard-Nachladeelementes - zu Be­ ginn ihres Einsatzes fehlt. Der dabei freigesetzte Fluss thermischer Neutronen kann sogar dazu führen, dass das Defi­ zit Neutronenbilanz von ersten Brennelementen, die eigentlich bereits abgebrannt sind und entsorgt werden müssten, kompen­ siert und ihre Einsatzdauer verlängert wird. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Entsorgungskosten.

Ein Reaktorkern eines mit Leichtwasser gekühlten Leistungs- Kernreaktors, der nach diesen Grundsätzen mindestens aus ers­ ten und zweiten Brennelementen zusammengesetzt ist, ermög­ licht also erhebliche Kosteneinsparungen im Brennstoffkreis­ lauf für die letzten Zyklen des Reaktors. Dabei ist es beson­ ders vorteilhaft, wenn das spaltbare Material in den zweiten Brennelementen derart im Brennstoff konzentriert ist, dass der Brennstoff eine mittlere Anreicherung über 4,5% auf­ weist. Es kann insbesondere der gleiche Brennstoff wie in den Nachlade-Brennelementen verwendet werden, lediglich mit ge­ ringerem Volumen.

Ein solches Abschalt-Brennelement besitzt im Grunde den glei­ chen Aufbau wie Standard-Nachladebrennelemente, wobei jedoch anstelle einiger Brennstäbe der Standard-Nachladebrennele­ mente Verdrängerstäbe (z. B. massive Stäbe aus einem Material mit geringer Neutronenabsorption, z. B. Zirkonium oder Zirka­ loy), Hohlrohre, wie sie als "Wasserstäbe" ohnehin bereits in Standard-Nachladebrennelementen von Siedewasser-Reaktoren verwendet werden, oder einfach Leerstellen verwendet werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, an den Außenseiten der Ver­ drängerstäbe oder Hohlrohre Mittel anzubringen, die das an den Außenflächen der Hohlrohre strömende, flüssige Wasser ab­ streifen und mit dem Kühlmittelstrom vermischen. Solche Mit­ tel zum Abstreifen können z. B. eingeprägte (insbesondere schraubenförmige) Nuten oder entsprechende vorstehende Rippen sein. Man kann aber auch die Abstandhalter der Brennelemente als Träger für solche Abstreifer oder für Mischflügel benut­ zen. Natürlich müssen jeweils die Thermohydraulik des Brenn­ elements auf diese Abstreifer bzw. auf die Leerstellen abge­ stimmt sein.

Als Verdrängerstäbe können in ein Abschalt-Brennelement aber auch mehrere Brennstäbe eingesetzt werden, die an sich be­ reits abgebrannt wären und z. B. aus bereits bestrahlten Brennelementen stammen, in Verbindung mit einer entsprechen­ den Vielzahl frischer Brennelemente und gegebenenfalls Leer­ stellen noch weiter abbrennen. Im Kern gibt es außerdem Posi­ tionen, in denen die Brennelemente langsamer abbrennen und auch innerhalb der Brennelemente brennen manche Stäbe langsa­ mer. Die bessere Moderation in den Abschalt-Brennelementen ermöglicht also, den Brennstoff von Stäben, die früher an we­ niger gut moderierten Positionen eingesetzt waren, noch zu nutzen.

Unter einem "frischen" ("unbestrahlten") Brennelement ist also nicht nur ein Brennelement zu verstehen, dessen Stäbe alle unbestrahlt sind, sondern auch ein Brennelement, das ei­ nige bereits bestrahlte Brennstäbe hat, solange auch ausrei­ chend viele frische (unbestrahlte) Brennstäbe vorhanden sind, damit das Brennelement so rasch abbrennt, dass seine Reakti­ vität im ersten Zyklus ein übliches Nachlade-Brennelement er­ setzen kann. Insbesondere soll die Reaktivität im zweiten Zyklus (also wenn das Neutronengift weitgehend abgebrannt ist) mindestens so groß sein wie bei einem Nachlade-Brennele­ ment im zweiten Zyklus - und möglichst noch größer, damit an­ dere Brennelemente, die bereits praktisch abgebrannt sind und bei einem stationären Kern hätten ersetzt werden müssen, noch im Kern verbleiben können. Werden also bei einem Brennele­ ment, von insgesamt 100 Brennstabpositionen das bereits als Nachlade-Brennelement in seinem Zentrum 7 bis 9 Positionen besitzt, die von einem oder zwei Wasserstäben (allgemein: ei­ ner Wasserrohr-Anordnung) besetzt sind, 10 oder mehr Positio­ nen mit zusätzlichen Wasserstäben besetzt oder unbesetzt ge­ lassen, so erhöht sich das Moderatorvolumen (bestimmt im kal­ ten Zustand des Brennelements), und die spaltbare Masse wird bereits etwa 10% oder mehr erniedrigt. Es ist sogar möglich, diese Brennstab-Positionen mit bereits bestrahlten, insbeson­ dere weitgehend abgebrannten Brennstäben zu besetzen. Würden allerdings weniger als 20 frische Brennstäbe im Brennelement verwendet, so wäre das Moderator : Spaltmaterial-Verhältnis um mehr als 50% erhöht und zu stark geändert.

Das Gleiche trifft auch bei Brennelementen zu, bei denen das Brennstab-Bündel durch ein kreuzförmiges Wasserrohr in vier Quadranten geteilt ist. In diesem Fall ist es für Standard- Brennelemente üblich, jeweils im Zentrum des Brennelementes den Querschnitt des Wasserrohrs über jeweils eine Brennstab- Eckposition zu erstrecken und zu vergrößern. Bei 10 × 10 Brenn­ stabpositionen sind dann also 10 × 10^-4 Positionen mit Brenn­ stäben besetzt für den Nachlade-Fall; als Abschalt-Brennele­ ment sind jedoch in jedem Quadranten mindestens zwei zusätz­ liche Positionen unbesetzt oder mit Wasserrohren, bestrahlten Brennstäben oder anderen Verdrängerstäbe besetzt.

Vorteilhafte Weiterbildungen, insbesondere Ausführungen eines Abschalt-Brennelementes, sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Anhand von mehreren Figuren, die die Erfindung erläutern, werden Ausführungsbeispiele beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 den Verlauf der Reaktivität als Funktion des bereits erreichten Abbrands für ein unvergiftetes und ver­ giftetes Standard-Nachladebrennelement und ein Brennelement, das durch Erhöhung des Modera­ tor : Spaltmaterial-Verhältnisses und entsprechende Erniedrigung von Masse und Volumen des Brennstoffs aus einem Nachladeelement gebildet ist;

Fig. 2 ein Standard-Nachladebrennelement;

Fig. 3 ein Abschalt-Brennelement mit unbesetzten Brennstab­ positionen;

Fig. 4 bis 6 Abschalt-Brennelemente mit Stabpositionen, die durch bestrahlte Brennstäbe, massive Verdrän­ gerstäbe oder Wasserstäbe besetzt sind;

Fig. 7 einen Wasserstab (Wasserrohr) mit Abstreifelementen;

Fig. 8 einen Verdrängerstab mit an einem Abstandhalter an­ geordneten Abstreifelementen für einen Wasserfilm an der Oberfläche des Verdrängerstabes;

Fig. 9 einen Querschnitt durch ein anderes Abschalt-Brenn­ element;

Fig. 10 ein Abschalt-Brennelement für einen Druckwasser-Re­ aktor Fig. 11 einen Ausschnitt aus einem gemäß der Erfindung nach­ geladenen Kern eines Siedewasser-Reaktors.

In Fig. 1 ist die dem Fachmann bekannte Größe k_∞, die die Reaktivität des Brennelements beschreibt, gegen die mit stei­ gendem durch Abbrand freigesetzte Energie eines Brennelements aufgetragen. Dabei zeigt die Kurve 1 den Verlauf der Reakti­ vität eines üblichen Siedewasser-Brennelements ohne Vergif­ tung, während die Kurve 2 angibt, wie die Reaktivität des frischen Brennelements dadurch erniedrigt werden kann, dass dem gleichen Brennstoff mit der gleichen Masse an spaltbarem Material noch das abbrennbare Neutronengift Gd₂O₃ zugegeben wird. Etwa nach einem Betriebszyklus ist dieses Neutronengift soweit abgebrannt, dass die Kurve 2 praktisch in die Kurve 1 einmündet.

Wird nun (bei gleicher Anreicherung des Brennstoffs) das Brennstoff-Volumen um 10 bis 50% verringert, indem im glei­ chen, zur Kurve 1 gehörigen Brennelement einige Brennstäbe weggelassen werden, so zeigt die Kurve 4, dass das nunmehr deutlich höhere Verhältnis von Moderator zu Brennstoff (bzw. spaltbarem Material) die Reaktivität etwa während der beiden ersten Einsatzzyklen höher liegt, der Brennstoff aber dann deutlich schneller abbrennt. Ferner zeigt die Kurve 5, dass eine geeignete Zugabe von abbrennbarem Neutronengift die er­ höhte Reaktivität des Abschalt-Brennelements im ersten Zyklus kompensieren oder überkompensieren kann.

Außerdem kann man auch erreichen, dass die Abschalt-Brennele­ mente auch im zweiten Zyklus eine relativ hohe Reaktivität besitzen und einen Neutronenfluss erzeugen, der es gestattet, auch ein Standard-Nachladebrennelement, das bereits längere Zeit im Einsatz war und bereits soweit abgebrannt ist, dass es ersetzt werden müsste, noch einen weiteren Zyklus im Kern zu belassen.

Auf diese Weise können die Abschaltbrennelemente jeweils an die noch vorgesehene Anzahl der Betriebszyklen bis zum Ab­ schalten angepasst werden.

Fig. 2 zeigt ein modernes Standard-Nachladebrennelement für einen Leistungs-Siedewasser-Reaktor. Über den quadratischen Querschnitt des Brennelements sind die Brennstäbe regelmäßig in Reihen und dazu senkrechten Spalten angeordnet, wobei hier eine Anordnung von 10 Reihen und 10 Spalten gewählt ist. Da­ bei ist bereits berücksichtigt, dass der Brennstoff stärker ausbrennt und daher besser ausgenutzt wird, wenn ihm ein er­ höhtes Volumen an Moderator zur Verfügung steht und daher ei­ nige Brennstabpositionen nicht mit Brennstäben besetzt sind. Bevorzugt sind die in der Mitte des Brennelements liegenden Brennstäbe durch ein oder mehrere Wasserstäbe ersetzt, deren Querschnitt sich über mehrere benachbarte Brennstäbe erstre­ cken. Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn nur ein Wasserrohr 10 vorgesehen ist, das ungefähr zentral angeordnet sind und im vorliegenden Fall (Wasserrohr 10) ei­ nen quadratischen Querschnitt besitzt.

Ferner sind mit 11 einige Brennstäbe markiert, deren unterer Teil sich nicht von normalen Brennstäben 12 unterscheidet, die jedoch sich nur über einen Teil der Länge der Brennstäbe 12 erstrecken. Im oberen Teil des Brennelements, wo die Dichte des Moderators infolge Verdampfung gering ist, ent­ steht dadurch zusätzlicher Raum, der einerseits den Abtrans­ port des entstehenden Dampfes beschleunigt, andererseits auch die gegenüber dem unteren Teil verringerte Dichte des Modera­ tors teilweise kompensiert.

Die Masse des Brennstoffs beträgt etwa 175 kg Uran, wobei die acht teil-langen Stäbe 11 insgesamt etwa die Masse von fünf langen Brennstäben 12 enthalten.

Fig. 3 zeigt nun, wie durch Entnahme von Brennstäben aus diesem Standard-Nachladebrennelement ein Brennelement mit etwa 20% weniger Brennstoffmasse und spaltbarem Material entsteht. Die dadurch gebildeten Hohlräume 20 erhöhen zusätz­ lich das Moderator-Brennstoff-Verhältnis.

Fig. 4 zeigt, dass die gegenüber dem Standard-Nachladebrenn­ element fehlenden Brennstäbe auch durch Brennstäbe 40 ersetzt werden können, die bereits in Brennelementen eingesetzt waren und weitgehend abgebrannt sind.

Gegenüber Fig. 2 sind vor allem Brennstäbe, die selbst in Standard-Nachladebrennelement nur verhältnismäßig schwach an­ gereichert sind, durch bereits weitgehend abgebrannte Brenn­ elemente ersetzt. Zwar ist in Fig. 4 das Moderator-Volumen gleich geblieben, und gegenüber Fig. 3 wirken die bestrahl­ ten Brennstäbe 40 wie Verdränger-Stäbe, jedoch ist die Masse des spaltbaren Materials, das in den bestrahlten Stäben noch vorhanden ist, soviel geringer, dass das Brennelement der Fig. 4 etwa 10% weniger spaltbares Material enthält als nach Fig. 2 und dadurch einen Betriebszyklus kürzer brennt.

Während die Abschalt-Brennelemente der Fig. 3 und 4 vor allem für die ersten Nachladungen, die das vorgesehene, end­ gültige Abschalten vorbereiten, geeignet sind und noch ver­ hältnismäßig lange brennen, brennen die Abschalt-Elemente der Fig. 5 und 6 schneller aus, da dort eine größere Anzahl von Brennstabpositionen durch Verdrängerstäbe 50 (Fig. 5) bzw. Wasserstäbe 60 (Fig. 6) besetzt sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, bestrahlte Brennstäbe 61 neben Wasserstäben 60 einzusetzen. Auch empfiehlt sich, die Verwendung teil-lan­ ger Stäbe 62 beizubehalten.

Dabei können die Wasserstäbe auf ihrer Außenfläche z. B. Rin­ nen 71 bzw. Rippen 72 tragen, wie anhand des Wasserstabs 70 der Fig. 7 gezeigt ist. Ein flüssiger Wasserfilm, der von dem in axialer Richtung strömenden Kühlmittel auf der Außen­ fläche des Wasserrohres entlanggeführt wird, wird dann in Ro­ tation versetzt und durch die Zentrifugalkraft von der Ober­ fläche des Wasserstabes abgestreift.

Solche abstreifende Mittel können aber auch z. B. an den Ste­ gen 80 eines Abstandhalters angebracht sein, wie Fig. 8 an­ hand eines massiven Stabes 84 aus Zirkaloy zeigt. Da ein sol­ cher massiver Stab gegen Reibschäden weitgehend unempfindlich ist, können die Abstreifer 76 auch direkt am Stab anliegen und gleichzeitig als Filmabstreifer und als seitliches Stütz­ element eines Stabes dienen.

Ist der Reaktor abgeschaltet, so werden die Brennelemente entsorgt, indem sie zwischengelagert und dann entweder der Wiederaufbereitung oder einem Endlager zugeführt werden. Da­ bei können die Köpfe des Brennelements abgenommen werden, um in den Abschalt-Brennelementen vorhandene Wasserrohre und/oder Verdrängerstäbe zu entnehmen und vor allem die unbe­ setzten Brennstab-Positionen mit bestrahlten Brennstäben an­ derer Brennelemente zu besetzen. Dies erspart bereits Lager­ raum im Zwischenlager und verringert das Volumen beim Trans­ port und/oder der Endlagerung.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Abschalt-Elementes, das aus einem Standard-Nachladebrennelement mit einem kreuzförmigen Wasserrohr gebildet ist.

Der quadratische Brennelement-Kasten 19, der bei Siedewasser- Brennelementen die Brennstäbe umgibt, ist in diesem Fall durch vier Teilkästen 90 mit einander sich kreuzenden, das Wasserrohr 91 bildenden Spalten ersetzt. Mit 92 ist angedeu­ tet, dass die Teilkästen auch durch Stege miteinander verbun­ den oder als ein großer Kasten mit sich kreuzenden, das Was­ serrohr bildenden Innenstegen ausgebildet sein können.

Im gezeigten Fall tragen die Teilkästen ausgeprägte Noppen 93, an denen sie aneinander abgestützt (z. B. verschweißt) sind, wobei hier auch Durchtrittsöffnungen 94 zur Verbindung der Innenräume vorgesehen sein können.

Auch hier sind die Brennstäbe in Reihen und dazu senkrechten Spalten angeordnet. Die inneren Eckpositionen 95 von Brenn­ stäben werden dabei von einem relativ großen Mittelteil des Wasserrohres überdeckt. Ferner sind auch hier neben mindes­ tens zwanzig frischen Brennstäben 96 teil-lange Brennstäbe 97 vorgesehen.

In jedem durch das Wasserrohr 91 gebildeten Quadranten sind nun einige Positionen 98 freigelassen oder insbesondere, wie durch die Kontur 99 angedeutet, durch Wasserstäbe ersetzt. Additiv oder alternativ sind einige Brennstab-Positionen durch Verdrängerstäbe und/oder weitgehend abgebrannte Brenn­ stäbe 100 ersetzt.

Die bisher an einem Siedewasser-Brennelement erläuterte Er­ findung ist auch für Druckwasser-Reaktoren geeignet.

Fig. 10 zeigt den Querschnitt durch ein solches Abschalt- Brennelement, wobei in einer Hälfte die Brennstäbe nicht ge­ zeigt sind, so dass nur die Stege des Abstandhalters 101 und die Steuerstab-Führungsrohre 102 sichtbar sind. In der ande­ ren Bildhälfte sind nur die Brennstabpositionen dargestellt, die teils von den Führungsrohren 102, teils von frischen Brennstäben 103 besetzt sind. Außerdem sind Brennstabposition 104 vollkommen unbesetzt oder durch Wasserstäbe 105 besetzt. Ebenso ist es möglich, an diesen Positionen Verdrängerstäbe oder Wasserstäbe anzuordnen, wie durch die Verdrängerstäbe 107 gezeigt ist. Dabei können als Verdrängerstäbe auch be­ reits bestrahlte Brennstäbe verwendet werden.

Im Fall von Druckwasser-Brennelementen sind also bereits für Standard-Nachladungen etwa jeweils 20 bis 28 Brennstab-Posi­ tionen mit Steuerstab-Führungsrohren und nicht mit Brennstä­ ben besetzt. Daneben sitzen jedoch an mindestens 20 weiteren Positionen ebenfalls keine Brennstäbe, sondern Leerstellen, Wasserstäbe oder Verdrängerstäbe, um das Moderator : Spaltmate­ rial-Verhältnis zu erhöhen, Brennstoff einzusparen und das Entsorgen nach dem Abschalten des Reaktors zu erleichtern. Besonders geringe Entsorgungskosten entstehen, wenn als Ver­ drängerstäbe bestrahlte Stäbe aus abgebrannten Brennelementen verwendet werden.

Der in Fig. 11 gezeigte Ausschnitt aus einem Kern eines Sie­ dewasser-Reaktors zeigt ein Steuerelement 110 und drei Stan­ dard-Nachladeelemente 111, 112 und 113, die jeweils bereits vor vier, drei bzw. zwei Betriebszyklen nachgeladen wurden. In der Mitte jedes Brennelements befindet sich eine Wasser­ rohr-Anordnung 114 aus zwei Wasserrohren, die in diesem Fall sieben Brennstabpositionen besetzen. Die darum herum angeord­ neten Brennstabpositionen sind mit schematisch angedeuteten Brennstäben besetzt, die alle noch nicht bestrahlt waren, als das Brennelement eingesetzt wurde. Vor ihrem Einsatz war der Gehalt an spaltbarem Material so bemessen, dass diese Brenn­ elemente jeweils vier Zyklen im Reaktor eingesetzt bleiben könnten, bevor sie gegen frische Brennelemente ausgewechselt werden müssten.

Nach dem letzten Zyklus wurde jedoch ein abgebranntes Brenn­ element gemäß der Erfindung durch das Abschalt-Brennelement 115 ersetzt, das zwar den gleichen Aufbau und ebenfalls mit frischen Brennstäben 118 besetzte Positionen aufweist. Jedoch sind dabei unbesetzte Positionen 117 bzw. mit Wasserstäben 116 besetzte Positionen vorgesehen. Außerdem sind einige Po­ sitionen mit bestrahlten Brennstäben 119 besetzt. Dieses Brennelement 115 brennt schneller ab und erreicht den Zu­ stand, bei dem es ausgewechselt werden müsste, bereits nach drei Zyklen.

Durch einen zeitlich gestaffelten Einsatz von Brennelementen, die durch steigendes Moderator : Brennstoff-Verhältnis auf im­ mer weniger Betriebszyklen ausgelegt sind, wird erreicht, dass alle Brennelemente nach dem gleichen Zyklus ausgebrannt sind; während dieser letzten Zyklen ist damit der Aufwand an Brennstoff sowie die Zahl der abgebrannten Brennstäbe, die entsorgt werden müssten, verringert.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben eines mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Leistungs-Kernreaktors, mit einem Kern aus mindestens ersten Brennelementen, die bereits in mehr als ei­ nem Betriebszyklus im Reaktor eingesetzt und der Strahlung ausgesetzt waren, und zweiten Brennelementen, die noch keinen ganzen Reaktorzyklus der Bestrahlung ausgesetzt waren, dadurch gekennzeichnet, dass - je­ weils auf ein Brennelement vor seinem Einsatz bezogen - die ersten Brennelemente jeweils einen höheren Gehalt an spalt­ barem Brennstoff aufweisen als die zweiten Brennelemente.

2. Verfahren zum Betreiben eines mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Leistungs-Kernreaktors, mit einem Kern aus mindestens ersten Brennelementen, die bereits in mehr als ei­ nem Reaktorzyklus im Reaktor eingesetzt und der Strahlung ausgesetzt waren, und unbestrahlten zweiten Brennelementen, die noch keinen ganzen Reaktorzyklus der Bestrahlung ausge­ setzt waren, dadurch gekennzeichnet, dass das je­ weils in einem ersten Brennelement enthaltene spaltbare Mate­ rial noch für eine vorgegebene Anzahl von Betriebszyklen aus­ reicht und das in den unbestrahlten, zweiten Brennelementen vorhandene spaltbare Material in der vorgegebenen Anzahl von Betriebszyklen abbrennbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ hältnis von Moderator zu spaltbarem Material bzw. das Ver­ hältnis von Moderator zu Kernbrennstoff in den zweiten Brenn­ elementen etwa 10 bis 50% höher ist als in den ersten Brenn­ elementen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einige Brennstab-Positionen im zweiten Brennelement von bereits be­ strahlten Brennstäben besetzt sind, die jeweils nur noch eine geringere Masse an spaltbarem Material aufweisen als jeder der ersten Brennstäbe.

5. Reaktorkern eines mit Leichtwasser gekühlten Leistungs- Kernreaktors aus Brennelementen, die bereits mehrere Zyklen im Reaktor eingesetzt und bestrahlt waren, und zweiten Brenn­ elementen, die noch keinen ganzen Reaktorzyklus der Bestrah­ lung ausgesetzt waren, dadurch gekennzeichnet, dass - jeweils auf das Brennelement vor seinem Einsatz bezogen - jedes erste Brennelement jeweils einen höheren Gehalt an spaltbarem Mate­ rial aufweist als ein zweites Brennelement.

6. Kern eines mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Leistungs-Kernreaktors, mit einem Kern aus mindestens ersten Brennelementen, die bereits in mehr als einem Reaktorzyklus im Reaktor eingesetzt und der Strahlung ausgesetzt waren, und unbestrahlten zweiten Brennelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die ers­ ten Brennelemente einen Gehalt an spaltbarem Material aufwei­ sen, der noch für eine vorgegebene Anzahl von Reaktorzyklen ausreicht, und dass der Gehalt an spaltbarem Material in den zweiten Brennelementen in der vorgegebenen Anzahl von Reak­ torzyklen abbrennbar ist.

7. Kern eines mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Leistungs-Kernreaktors, mit mindestens ersten und zweiten Brennelementen, wobei die zweiten Brennelemente noch unbe­ strahlte oder kürzere Zeit bestrahlte Brennstäbe aufweisen als die ersten Brennelemente, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ hältnis von spaltbarem Material zu Moderator in den zweiten Brennelementen etwa 10 bis 50% größer ist als in den ersten Brennelementen.

8. Kern für einen mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Leistungs-Kernreaktor mit mindestens ersten und zweiten Brennelementen, wobei die zweiten Brennelemente unbestrahlte oder erst eine kürzere Zeit bestrahlte Brennstäbe enthalten als die Brennstäbe der ersten Brennelemente, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ hältnis von Moderator zu Brennstoff in den zweiten Brennele­ menten mindestens 10% höher ist als in den ersten Brennele­ menten.

9. Brennelement für einen Siedewasser-Kernreaktor, mit einem rechteckigen Querschnitt und in Reihen und Spalten über den Querschnitt verteilten Brennstabpositionen, die teils von ei­ ner Wasserrohr-Anordnung, die mindestens vier Positionen im Zentrum des Querschnitts einnimmt, und teils von unbestrahl­ ten Brennstäben besetzt sind, gekennzeichnet durch einen weiteren Teil von Brennstabpositionen, die unbesetzt oder jeweils von einem Wassergefüllten Stab, einem Verdrängerstab oder einem bereits bestrahlten Brennstab besetzt sind.

10. Brennelement für einen Druckwasser-Reaktor mit einem rechteckigen Querschnitt, in Reihen und spalten über den Querschnitt verteilten Brennstabpositionen, die teils von un­ bestrahlten Brennstäben und teils von Steuerstab-Führungsroh­ ren besetzt sind, gekennzeichnet durch einen weiteren Teil von Brennstabpositionen, die unbesetzt oder von jeweils einem Wasserstab, Verdrängerstab oder einen bereits bestrahlten Brennstab besetzt sind.

11. Brennelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wei­ tere Teil mindestens 8 Brennstabpositionen umfasst.

12. Brennelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wei­ tere Teil sowohl mit bestrahlten Brennstäben besetzte Positi­ onen als auch Positionen umfasst, die von jeweils einem be­ strahlten Brennstab besetzt sind.

13. Brennelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindes­ tens 20% der Brennstabpositionen mit unbestrahlten Brennstä­ ben besetzt sind.

14. Brennelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung an der Außenfläche eines Wasserstabes oder Verdrängerstabes, die einen entlangfließenden Wasserfilm von der Außenfläche ab­ löst.