DE1589801A1

DE1589801A1 - Brennstoffbuendel fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1589801A1
Application number: DE19671589801
Authority: DE
Inventors: Roupe George Allen; Venier Dominic Ambrose; Bigge William Brendan; Lass James Lloyd
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-17
Filing date: 1967-01-16
Publication date: 1972-04-20
Also published as: FR1506946A; SE326779B; CH470727A; FI49760C; US3349004A; IL27062A; ES335669A1; DE1589801B2; US3382153A; DK120248B; BE692665A; FI49760B; NO123914B; DE1589801C3; GB1171383A; NL6700035A

Description

Dipl.-Ing. Lothar Michaelis Dr. Erhart Ziegler Patentanwalt Patentanwalt

6 VPrankfurt/Main 1 6 Frankfurt/Main 1 Postfach 3011 Postfach 3011

658-14D. 703/891 1589801

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.X., USA

Brennstoffbundel für Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und im besonderen auf Brennstoffbündel, die in solchen Kernreaktoren verwendet werden sollen.

Es ist bekannt, daß durch Kernspaltung große Energiemengen freigesetzt werden können. Im allganeinen wird im Kern eines spaltbaren Isotops, wie beispielsweise U²^, U²^, Pu²^ oder Pu²^¹, ein Neutron absorbiert und daraufhin kann der Kern unter Spaltung zerfallen. Hierbei entstehen im Mittel zwei Spaltprodukte von hoher kinetischer Energie, die ein geringeres Atomgewicht haben. Außerdem werden noch mehrere hochenergetische Neutronen frei. Bei der Spaltung von U ^ entstehen beispielsweise ein leichteres Spaltprodukt mit einer Massenzahl zwischen 80 und 110, ein schweres Spaltprodukt mit einer Massenzahl zwischen 125 und 155 sowie im Mittel 2,5 Neutronen. Pro Spaltung wird eine Energie freigesetzt, die an 200 MejV heranreicht.

Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird im Kernbrennstoff sehr schnell in Form von Wärme vernichtet. Wenn nach dieser Wärmeerzeugung zumindest ein einziges Neutron übrig bleibt, das an-

Vom Di^-ioiv-w P-^ntomf CRiGiMAL INSPECTED

^£_· ■■ ur. 209817/0089

rtiw-j ■ .. ..; ..r.._;;.;be nicht

schließend eine weitere Spaltung auslöst, unterhalt sich die Spaltungskette von selbst,und die Wärmeerzeugung erfolgt kontinuierlich. Die Wärme wird nun durch ein Kühlmittel abgeführt, das an dem Brennstoff entlang fließt. Die Spaltungsketten dauern nur solange an, wie ausreichend spaltbares Material im Brennstoff vorhanden ist, das den Einfluß der Spaltprodukte und anderer Neutronenabsorber überwiegen kann. Solche zusätzlichen Neutronenabsorber können beispielsweise die Regelstäbe des Kernreaktors sein.

Um nun die Spaltungsreaktionen so schnell ablaufen zu lassen, daß dabei nutzbare Mengen an thermischer Energie erzeugt werden, werden die Kernreaktoren heutzutage derart ausgelegt, konstruiert und betrieben, daß das spaltbare Material in Brennstoffelementen enthalten ist, die die verschiedensten Formen haben können. Diese Brennstoffelemente können beispielsweise platten-, röhren- oder stabförmig ausgebildet sein. Diese Brennstoffelemente sollen der Zweckmäßigkeit wegen im folgenden als Brennstoffstäbe bezeichnet werden. Die Brennstoffstäbe sind üblicherweise außen mit einer korrosionsbeständigen nichtreaktiven Hülle überzogen, die weder spaltbares Material enthält noch ein Material, das durch Neutroneneinfang spaltbar wird. Die Brennstoffstäbe sind in vorgegebenen Abständen voneinander in Gruppen zusammengefaßt und als Brennstoffbündel in einem Kühlmittelkanal eingesetzt. Zum Aufbau des eigentlichen Kerns des Kernreaktors ist eine ausreichende Anzahl dieser Brennstoffbündel zusammengefaßt, so daß eine sich

209817/0089

selbst unterhaltende Spaltungskette ablaufen kann. Der Kern ist üblicherweise in einen Druckkessel eingesetzt.

Kernreaktoranlagen sind üblicherweise so ausgelegt, daß sie periodisch abgeschaltet werden können, um den Brennstoff im Reaktorkern zu ersetzen. Dieses Austauschen der Brennstoffstäbe des Reaktors wird so durchgeführt, daß der bestrahlte Brennstoff teilweise oder ganz gegen unbenutzte Brennstoffstäbe ausgetauscht wird. Der Plan zum Ersatz oder Austausch der Brennstoffstäbe ist auf ein Abschalten des Reaktors während solcher Zeiträume abgestellt, in denen die Leistungsabgabe an das Stromnetz ein Minimum ist.

Ein solcher Austauschplan kann.es beispielsweise erforderlich machen, daß 20 bis 25 % des bestrahlten Brennstoffs aus dem Reaktorkern herausgenommen und durch frische Brennstoffstäbe ersetzt wird. Wenn der Kernreaktor beispielsweise so ausgelegt ist, daß pro Jahr 25 % seines Brennstoffs ausgetauscht wird, so sind Abschaltungen notwendig, um am Ende eines Zeitraumes von 4 Jahren im normalen Betrieb den ursprünglich eingesetzten Brennstoff vollständig zu ersetzen.

Wie nun die Ersatzbrennstoffstäbe ausgelegt werden müssen, die anstelle der ursprünglichen Brennstoffstäbe in den Reaktor eingesetzt werden sollen, wird nun viele Monate vor dem Einsetzen

209817/0089

der Ersatzstäbe festgelegt. (Eine Zeitspanne von 12 Monaten ist hierbei nicht unüblich). Der größte Teil dieser Zeit wird dafür benötigt, die Ersatzbrennstoffstäbe auszulegen, herzustellen, zu prüfen und auszuliefern. Entscheidend ist nur, daß die Konstruktion und Planung, der Ersatzbrennstoff stäbe auf einem Zustand des Kernreaktors beruht, den der Kernreaktor am Tag des Brennstoffaustausche voraussichtlich aufweist. Die hauptsächlichen Bedingungen, die bei der Planung und dem Aufbau der Ersatzbrennstoffstäbe berücksichtigt werden müssen sind

1. die Reaktivität des Reaktorkerns und des restlichen Brennstoffs,

2. die Lebensdauer und die Reaktivität der Ersatzbrennstoffstäbe,

3. die Regelstärke der R^Egelstäbe (das heißt, die Neutronenabsorptionseigenschaften der Regelstäbe) und

4. der Regelüberschuß aller Regelstäbe über die Regelstärke hinaus, die zum Abschalten des Reaktors erforderlich ist.

Da nun die Ersatzbrennstoffstäbe für viele Monate im voraus konstruiert und berechnet werden, besteht eine beachtliche Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Eigenschaften dieser Ersatzbrennstoffstäbe nicht genau den Erfordernissen im Reaktor zu dem Zeitpunkt angepaßt sind, an dem der Reaktor abgeschaltet wird, sofern unvorhergesehene Abweichungen von den ursprünglich vorhergesagten Zuständen auftreten. Solche Abweichungen können beispielsweise vom Betrieb des Reaktors auf einem höheren oder niedrigeren Leistungspegel herrühren als ursprünglich angenommen wurde. Von wirt-

209817/0089

schaftlichen Gesichtspunkten her wäre es nun sehr günstig, wenn man die Eigenschaften der Ersatzbrennstoffstäbe so ändern könnte, daß dxeErsatzbrennstoffstäbe die Forderungen so genau wie möglich erfüllen können, die vom Reaktor an sie gestellt werden. Wenn die Ersatzbrennstoffstäbe erst einmal hergestellt worden sind und Eigenschaften aufweisen, die für die angenommenen Reakta*· zustände besonders günstig sind, so gibt es nach dem bisherigen Stand der Technik nur sehr beschränkte und arbeitsintensive Möglichkeiten, die nuklearen Eigenschaften der Ersatzbrennstoffstäbe so zu ändern, diß die Abweichungen von den angenommenen Reaktorzuständen berücksichtigt werden können,um die Bedürfnisse des Reaktors und die Eigenschaften der Ersatzbrennstoffzelle zum Zeitpunkt des Brennstoffaustausches genau aufeinander abstimmen zu können. Der Zeit- und Kostenaufwand zur Änderung solcher Brennstoffbündel bei den oben geschilderten Bedingungen war so groß, daß man lieber nicht-modifizierte Ersatzbrennstoffstäbe verwendete und diese Brennstoffstäbe mit geringerem Wirkungsgrad verwendete. Weiterhin konnte es erforderlich werden, Regelstäbe auszutauschen, ohne daß dieser Austausch bereits geplant war, um den Reaktivitätswert dieser Stäbe zu erhöhen oder zu erniedrigen. Zusätzlich konnte es erforderlich sein, die Brennstoffbündel im Kern neu anzuordnen. HierdurchTOr sehr häufig ein erheblicher finanzieller Aufwand bedingt und ebenso wurden die Stillstandszeiten der Reaktoranlagen weit größer als ursprünglich geplant war. Diese Erscheinungen stehen aber dem Ziel,eine Kernreaktoranlage wirtschaftlich und mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben,diametral entgegen.

209817/0089

Ziel der Erfindung ist daher, diese Schwierigkeiten zu "beseitigen. Dieses wird durch ein Brennstoff bündel erreicht, dessen Nukleareigenschaften im Reaktor selber innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen leicht und wirtschaftlich geändert werden können, so daß es möglich ist, die Abweichungen von solchen Eigenschaften auszugleichen, die mehrere Monate früher vorhergesagt wurden, und auf denen die Ersatzbrennstoffstäbe zum Austausch bereits bestrahlter Stäbe basieren.

Nach der Erfindung wird ein Brennstoff bündel mit mehreren Brennstoff stäben verwendet, in dem auch ein oder mehrere leicht herausnehmbare Stäbe enthalten sind, die als Neutronenabsorber wirken. Diese Absorberstäi-be werden anschließend als herausnehmbare Stäbe bezeichnet. Diese herausnehmbaren Stäbe werden an einer oder an mehreren Stellen in das Brennstoff bündel eingesetzt, die auf einer geraden Linie liegen, die durch mehrere Brennstoffstäbe sowie durch die Längsachse des Brennstoff bündeis hindurchgeht, und deren Verlängerung die Längsachse eines benachbarten Eegelstabes schneidet. Bei einem quadratischen Brennstoff bündel ist diese gerade Linie diejenige Diagonale, die die Ecke des Brennstoffbündeis neben der Längsachse eines benachbarten Eegelstabes sowie die gegenüberliegende Ecke des Brennstoffbündels schneidet.

Im lalle einer quadratischen Anordnung der Brennstoffstäbe soll diese Linie, auf der Absorberstäbe eingesetzt werden können, als Diagnonallinie bezeichnet werden. Zusätzlich können leicht herausnehmbare Stäbe symmetrisch zu beiden Seiten dieser Diagnonalen an-

Vom Deutschen Patentamt

geordnet werden. Je nachdem, welche Wirkung hervorgerufen werden soll, ist jeder der herausnehmbaren Stäbe ganz oder teilweise mit einem besonderen Material angefüllt, das irgendeinen . der folgenden Stoffe enthalten kann:

1. Brennstoff, der genauso wie der Brennstoff in den restlichen Stäben stärker oder auch schwächer angereichert sein kann,

2. Brennstoff, der mit einem speziellen Neutronenabsorber gemischt ist,

3. Verdünnungsmaterial wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, das mit einem speziellen Neutronenabsorber gemischt ist,

4. Neutronenabsorber ohne weitere Zusätze.

Man hat nun gefunden, daß durch das Einsetzen der herausnehmbaren Stäbe in die eben beschriebenen Gebiete, die Yfirksamkeit des benachbarten Regelstabes und/oder die Reaktivität des Brennstoffbündels eingestellt werden kann. Wenn man beispielsweise die Regelstärke eines Regelstabes gegenüber seiner Regelstärke in Verbindung mit einem nicht modifizierten Brennstoffbündel vergrößern will, kann man einen herausnehmbaren Stab, der mit einem Neutronenabsorber gefüllt ist, an diejenige Ecke des Brennstoffbündeis setzen, die diesem Regelstab diagonal gegenüberliegt. Dadurch wird eine Verzerrung des Neutronenflusses um die Mitte des Brennstoff bündeis herum erreicht, derart, daß der Neutronenfluß neben dem herausnehmbaren Stab erniedrigt und in der Nähe des Regel-

209817/0 089

stabes erhöht wird. Die Stärke eines Regelstabes kann man dadurch erniedrigen, daß man diesen herausnehmbaren Stab, der mit einem Neutronenabsorber gefüllt ist, an derjenigen Ecke in das Brennstoffbündel einsetzt, die genau neben dem Regelstab liegt. Weiterhin hat man gefunden, daß man die gesamte Reaktivität des Brennstoffbündeis erhöhen kann, ohne die Regelstärke des benachbarten REgelstabes zu beeinflussen, wenn man herausnehmbare Stäbe an die richtigen Stellen im Brennstoffbündel einsetzt, die angereicherten Kernbrennstoff enthalten. Die gesamte Reaktivität des Brennstoffbündels kann dagegen ohne nennenswerten Einfluss auf die Regelstärke des daneben liegenden Regelstabes gesenkt werden, wenn man herausnehmbare Stäbe einsetzt, die entweder einen Neutronenabsorber oder aber einen Brennstoff enthalten, der niedriger als derjenige Brennstoff angereichert ist, der in dem Brennstoffstab enthalten ist, der durch den herausnehmbaren Stab ersetzt wurde. Um jeden Unterschied in der Wirkungsweise benachbarter Regelstäbe vollständig auszugleichen, kann man weiterhin an den richtigen Stellen herausnehmbare Stäbe einsetzen, die Absorbermaterial enthalten. Weiterhin kann der Zusammenhang zwischen der Reaktivität und der Lebensdauer eines Brennstoffbündels dadurch variiert werden, daß man die atomare Dichte (Anzahl der Atome pro Einheitsvolumen) in dem herausnehmbaren S^Tab ändert, der die Absorbersubstanz enthält. Schließlich kann man auch die Neutronenabsorptionseigenschaften eines herausnehmbaren Stabs, der einen Neutronenabsorber enthält, dadurch ändern, daß man den effektiven

209817/0089

Durchmesser des Äbsorbermaterials innerhalb des herausnehmbaren Stabes ändert, ohne daß man den Außendurchmesser des herausnehmbaren Stabes ändert.

Es sei bemerkt, daß es in bestimmten Situationen günstig sein kann, die herausnehmbaren S^Täbe einiger oder aller bestrahlter Brennstoffbündel zu ersetzen, wenn auch die einzelnen Brennstoffstäbe dieser Bündel nach Plan noch nicht ersetzt werden sollen. Das kann beispielsweise auftreten, wenn das Stillegen derReaktoranlage gegenüber dem Plan zurückgestellt und die Betriebszeit des Reaktors daher verlängert worden ist. Unter solchen Bedingungen brauchen die Ersatzbrennstoffstäbe, die bereits mehrere Monate vorher gefertigt worden sind, keine ausreichende Reaktivität mehr aufzuweisen, um den Reaktorkern für die erforderliche Zeitspanne auf dem normalen Leistungspegel zu halten. Wenn nun zusätzlich zum Ersatz einiger bestrahlter Brennstoffbündel die Reaktivität von einigen weiteren bestrahlten Brennstoffbündeln erhöht werden kann, kann die Lebensdauer dieser Brennstoffbündel und damit die Lebensdauer des Reaktorkerns erhöht werden. In zahlreichen Fällen ist es zur Erhöhung der Reaktivität ausreichend, einige oder alle herausnehmbaren Stäbe einiger oder aller bestrahlter Brennstoffbündel durch andere herausnehmbare Stäbe zu ersetzen, die angereicherten Brennstoff enthalten. Damit wird auch die Lebensdauer der Brennstoffbündel verlängert. Die Erfindung ist für diesen Zweck besonders gut geeignet, da heraus-

209817/0089

nehmbare Stäbe mit Brennstoff der verschiedensten Anreicherungsgrade verfügbar sind, und da die herausnehmbaren Stäbe in die Brennstoffbündel eingesetzt werden können, während die Brennstoffbündel im Reaktorkern verbleiben. Diese Möglichkeit, herausnehmbare Stäbe schnell zu ersetzen, während die Brennstoffbündel im Reaktorkern verbleiben, ist von besonderer Bedeutung. Solange dieser schnelle Austausch oder Ersatz nicht möglich war, waren Kosten und zeitliche Verzögerungen im allgemeinen so groß, daß es günstiger war, einige der Brennstoffbündel durch neue Brennstoffbündel zu ersetzen. Dadurch wurden die Betriebskosten jedoch beträchtlich erhöht und außerdem wurden die herausgenommenen Brennstoffbündel nicht mehr verwendet, obwohl diese Brennstoffbündel noch weitere Energie erzeugen konnten.

In der Praxis kann man sich eine Anzahl herausnehmbarer Stäbe auf Lager legen, so daß immer herausnehmbare Stäbe verfügbar sind, die bestimmte Absorberkonzentrationen aufweisen, bestimmte Absorberradien aufweisen und in denen weiterhin spaltbares Material in verschiedenen Anrexcherungsgraden enthalten ist. Auf diese Weise ist es möglich, direkt an der Kernreaktoranlage, die stillgelegt werden soll oder gerade abgeschaltet ist, die richtige Kombination von herausnehmbaren Stäben zur Verfügung zu haben, die in die bestrahlten und/oder in die Ersatzbrennstoffbündel eingesetzt -werden -können.

209817/0089

Es sei bemerkt, daß die Grundlagen der Erfindung, die auf Brennstoffbündel mit herausnehmbaren STäben beruhen, auf quadratische Brennstoffbündel der verschiedensten Größen anwendbar sind, also auf Brennstoffbündel mit 5 χ 5, 6 χ 6, 7x7, 8x8, usw. Brennstoff stäben. Außerdem können die Grundlagen der Erfindung auch auf Brennstoffbbündel angewendet werden, in denen die Brennstoffstäbe nicht in einem quadratischen Schema angeordnet sind, also beispielsweise auf Brennstoffbündel mit hexagonaler oder rechteckiger Geometrie.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden:

Fig ♦ 1 zeigt schematisch eine Kernreaktoranlage und im besonderen den Reaktorkessel im Schnitt, in dem die Brennstoffbündel nach der Erfindung verwendet werden können.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Reaktorkessel und den Reaktorkern längs der Linie 2-2 aus Fig. 1.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des oberen Endes des Brennstoffbündels, das von^der Linie 3-3 aus Fig. 2 umrandet ist. In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform von Brennstoffbündeln mit herausnehmbaren Stäben nach der Erfindung dargestellt.

209817/0089

Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennst off bunde Is.

Fig. 5 ist eine Aufsicht auf die obere Halterungsplatte des Brennstoffbündels aus Fig. 4.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Öffnungen für die herausnehmbaren Stäbe in der oberen Halterungsplatte aus Fig. 5 in vergrößertem Maßstab.

Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linie 7-7 aus Fig. 6.

Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform für einen herausnehmbaren Stab, der in dem Brennstoffbündel nach den Fig. 4 und 5 verwendet werden kann.

Fig. 9 ist eine Endansicht des herausnehmbaren Stabes nach Fig. 8.

7 Fig. 10 zeigt in Form einer graphischen Darstellung die Änderung ·

des Neutronenflusses längs der Diagonalen des Brennstoffbündeis.

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Reaktivität eines Brennstoffbündels ohne Regelstab mit (Kurve 1) und ohne (Kurve 3) eingesetztem Regelstab sowie die Reaktivität des Brennstoffbündeis als Funktion des Ortes, an dem der herausnehmbare Stab in das Brennstoffbündel eingesetzt ist.

209817/0089

Fig. 12 ist eine Kurvenschar und zeigt die Reaktivität des Brennstoffbündels sowie den Abbrand als Funktion verschiedener Radien des Absorbermaterials und als Funktion verschiedener Absorberkonzentrationen.

Fig. 13 ist eine Kurvenschar und zeigt die Regelstärke eines Regelstabes in Abhängigkeit von dem Ort auf der Diagonalen des Brennstoffbündeis nach der Erfindung, an dem ein herausnehmbarer Stab eingesetzt ist, dsr einen Absorber enthält.

Fig. 14 - 17 zeigen die Orte der herausnehmbaren S-fcäbe in dem Brennstoffbündel, die den Beispielen 1-4 entsprechen.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Kernreaktoranlage dargestellt, in der das Brennstoffbündel nach der Erfindung verwendet werden kann. Die Lehren der Erfindung können bei den verschiedensten Reaktortypen angewendet werden, beispielsweise bei wassermoderierten Reaktoren, schwerwasser-, graphit- oder organisch moderierten Reaktoren, oder auch in solchen Reaktortypen, in denen Natrium oder andere Flüssigkeiten als Moderator und Kühlmittel verwendet werden. Die Erfindung wird jedoch in Verbindung mit einem Siedewasserreaktor beschrieben, da sie für Siedewasserreaktoren besonders gut geeignet ist. -'

Die Kernreaktoranlage nach Fig. 1 weist einen Druckkessel 10 auf,

T*¹ · r ^Λ

der mit einem abnehmbaren Dom 12 versehen ist. Der Dom 12 und der

209817/0089

Kessel 10 sind mittels Flanschen 14 und 16 miteinander verbunden. Innerhalb des Druckkessels 10 ist ein Reaktorkern 18 angeordnet, de χ- mehrere senkrecht angeordnete Brennst off bündel 20 aufweist. Jedes Brennstoffbündel besteht aus einer Anzahl von langgestreckten Brennstoffstäben, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. Hierzu werden Halterungsplatten verwendet, die oben und unten an den Brennstoffstäben angreifen und mit Öffnungen versehen sind, durch die ein Kühlmittel zirkulieren kann. Jedes Brennstoffbündel ist von einem offenem Mantel umgeben.

Unten am Boden 23 des Reaktorkessels sind mehrere Βμοΐιβθη^ oder Muffen 22 eingeschweißt, über die der Antrieb der Regelstäbe erfolgt. Oben auf diesen Buchsen 22 sind Führungsrohre 24 für die Regelstäbe befestigt, deren untere Enden sowohl in senkrechter als auch in waagrechter Richtung durch die Buchsen 22 festgelegt sind. Die oberen Enden der Führungsrohre 24 sind in Querrichtung durch die untere Gitterplatte 26 im Reaktorkessel festgelegt. Das obere Ende eines jeden Führungsrohres für einen Regelstab ist mit 4 Sockeln versehen (nicht gezeigt) und weist eine kreuzförmige Öffnung auf (nicht gezeigt). Jedes Führungsrohr 24 trägt vier Brennstoffbündel 20, wobei die Bodenplatte eines jeden Brennstoffbündels in einen der vier Sockel eingesetzt ist. Jedes Führungsrohr ist mit Öffnungen 28 versehen, die oben am Führungsrohr angeordnet sind. Diese Öffnungen stehen mit einer Vorratskammer 30 für das Kühlmittel, mit den Sockeln und mit den Bodenplattender zugehörigen Brennstoffbündel in Verbindung.

209817/0089

Der Leistungspegel des Reaktors sowie die örtliche Leistungsverteilung innerhalb des Reaktors wird durch Regelstäbe 32 geregelt, die gestrichelt eingezeichnet sind. In jedem Führungsrohr ist ein kreuzförmiger Regelstab angeordnet. Dieser Regelstab kann senkrecht zwischen den 4 zugeordneten Brennstoffbündeln 25 auf- und abbewegt werden, die auf das Führungsrohr aufgesetzt sind. Die Regelstäbe werden von Antriebsstangen 33 in den Reaktorkern hineingeschoben oder aus ihm herausgezogen. Die Antriebsstangen 33 sind gestrichelt gezeichnet und laufen durch die Muffen 22 am Boden des Reaktorkessels hindurch. Die Antriebsstangen werden einzeln von Antriebsmechanismen bewegt (nicht gezeigt), die die Lage der Regelstäbe im Reaktorkern steuern. Wie diese Antriebsmechanismen aufgebaut sein können, ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 020 887 beschrieben worden.

Koaxial in den Kessel ist ein Ringmantel 34 eingesetzt, so daß sich zwischen diesem Ringmantel und der Kesselwandung ein Ringraum 36 ergibt. Eine Pumpe 38 zieht kontinuierlich vom Boden dieses Ringraumes 36 Umwälzwasser ab und drückt dieses Umwälzwasser in eine Vorratskammer 30 hinein.

Beim Betrieb eines Siedewasserreaktors tritt ein Dampf-Wasser-Gemisch, das im Reaktorkern 18 erzeugt wird, in einen Dom 27 ein, von v/o aus die Mischung jiach oben in Dampf Separatoren 40 gelangt. Hier wird der Dampf vom größten Teil des ?Jassers befreit. Der abgetrennte Dampf strömt nach oben durch Dampftrockner 43 hindurch,

209817/0089

die auf einer ringförmigen Halterung 44 montiert sind. Dort wird das restliche Wasser entfernt. Der trockene Dampf, der den Dampftrockner verläßt, wird an eine Turbine 46 weitergegeben, die einen Generator 48 antreibt. Das Wasser, das in den Separaetoren 40 und im Dampftrockner 42 abgeschieden worden ist, fließt nach unten und über den Dom 27 hinweg radial nach außen, so daß es zwischen den Separatoren hindurch strömt und in den Ringraum 36 gelangt. Die gestrichelte Linie 50 stellt den Wasserstand im Reaktorkessel dar.

Der Abdampf aus der Turbine 46 wird kondensiert und im Kondensor 52 gesammelt. Das Kondensat wird aus dem Kondensorsumpf mittels der Pumpe 54 abgezogen und dann anschließend als Speisewasser dem Ringverteiler 56 zugeführt. Auf diese Weise wird das Speisewasser mit Wasser gemischt, das aus den Separatoren 40 und dem Dampftrockner 42 stammt. Die Umwälzpumpe 38 pumpt Umwälzwasser vom Boden des ^ingraumes 36 in die Vorratskammer 30 hinein und erhöht dabei den Wasserdruck. Dieser Druckerhöhung wegen strömt das Umwälzwasser von der Vorratskammer 30 aus nach oben und nacheinander durch Brennstoffbündel 20 in den Dom 27, durch die Dampf-Separatoren 40, durch die obere Kammer 58 und den Ringraum 36 hindurch und zum Ansaugstutzen der Umwälzpumpe 38 zurück. Es sei bemerkt, daß die Umwälzung_; des Wassers auch mittels Strahlpumpen durchgeführt werden kann, die im Ringraum 36 angeordnet sind.

209817/0089

Das Wasser aus der Vorratskammer 30 wird in zwei parallele Ströme unterteilt. Der erste Strom, der aus etwa 90 % des gesamten Wassers besteht, strömt nacheinander durch die Öffnungen oben an den Führungsrohren 24 für die Regelstäbe hindurch, dann durch die unterenMontageplatten der Brennstoffbündel und durch die Kanäle innerhalb der Brennstoffbündel. Anschließend strömt dieses Wasser durch die oberen Montageplatten der Brennstoffbündel und in den Dom 27 hinein. In den Kanälen innerhalb der Brennstoffbündel dient dieses Wasser als Moderator und als Kühlmittel für die Brennstoffstäbe. Es wird innerhalb dieser Kanäle teilweise verdampft, so daß .ein Dampf-Wasser-Gemisch entsteht.

Der zweite Strom, der die restlichen 10 % des Wassers aus der Vorratskammer 30 führt, strömt durch kreisförmige Öffnungen 59 hindurch, die zwischen den äußeren Oberflächen an den oberen Enden der Führungsrohre 24 angeordnet sind. Anschließend nimmt dieses Wasser seinen Weg durch Öffnungen in der ^Boden-Gitterplatte 26. Dieses Wasser strömt nach oben durch die Zwischenräume zwischen den Außenseiten der Ringmäntel der Brennstoffbündel einerseits und den Regelstäben 32 andererseits hindurch und gelangt durch Zwischenräume zwischen den oberen Enden der Brennstoffbündel in den Dom 27 hinein. Dieses Wasser dient dazu, die Regelstäbe und die Mäntel der Brennstoffbündel zu kühlen, sodaß in diesen Gebietenkein Dampf entstehen kann. Außerdem trägt dieses Wasser dazu bei, die Neutronen zu moderieren, so daß es einen erheblichen Einfluß auf den Reaktorbetrieb

209817/0089

ausübt, wie anschließend noch beschrieben wird. Die Dampf-Wasser-Mischung, die durch die Vereinigung der beiden Wasserteilströme entsteht, enthält im Dom 27 etwa 10 Gewichtsprozent Dampf.

Die Fig. 2 zeigt nun einen Querschnitt durch den Reaktorkessel 10, der in der Qöhe der Linie 2-2 aus Fig. 1 durch den Kessel und den Reaktorkern gelegt wird. Der Reaktorkessel 10 ist um den Kern 18 und den Ringmantel 34 herum angeordnet. Die Brennstoffbündel 20 sind gruppenweise zu jeweils 4 Brennstoffbündeln zusammengefaßt. Zwischen den Bündeln einer Gruppe ist nur ein verhältnismäßig schmaler Zwischenraum (N) vorgesehen, der daaa dient, die Brennstoff bündel einsetzen und wieder herausnehmen zu können. Außerdem können in diese Zwischenräume Instrumente eingesetzt werden. Zwischen den einzelnen Gruppen von Brennstoffbündeln sind größere Zwischenräume (W) vorgesehen, in denen die kreuzförmigen Regelstäbe 32 auf und ab geschoben werden können. Somit liegen jeweils neben zwei Seiten eines jeden Brennstoffbündeis Regelstäbe, während die anderen beiden Seiten eines Brennstoffbündeis frei sind. Die Zwischenräume (N) und (W) zwischen den Brennstoffbündeln führen den zweiten Wasserstrom aus der Vorratskammer und sind daher mit Wasser gefüllt.

In der Fig. 3 ist nun derjenige Ausschnitt aus der Fig. 2 vergrößert gezeigt, der durch die Linie 3-3 umrandet ist. DieFig. 3 zeigt einmal die Kreuzform eines Regelstabes 32 besonders deutlich und außerdem die Orte, an denen die herausnehmbaren Stäbe nach

209817/0089

eiiier Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden können. Das Brennstoffbündel nach Fig. 3 besteht aus 6x6 Brennstoffstäben, die quadratisch angeordnet sind. Außerdem können an 8 Stellen des Brennstoffbündels herausnehmbare Stäbe eingesetzt werden. YHe man sieht, liegen 6 dieser Stellen (A, B, C, D, E, F,) auf der Diagonalen 68, die die Längsachsen des Regelstabes 32 und des Brennstoffbündels 20 schneidet und somit von einer Ecke des Brennstoffbündels zur diagonal gegenüberliegenden Ecke des Brennstoffbündeis verläuft. Die anderen beiden Stellen für die herausnehmbaren Stäbe (G und H) liegen symmetrisch links und rechts der Diagonalen 68. In der dargestellten Ausführungsform liegen diese beiden restlichen Stellen auf der Diagonale 72. Der Grund für diese Anordnung sowie andere mögliche Anordnungen werden noch im einzelnen erörtert.

In der Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform eines Brennstoffbündeis nach der Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 3 können in das Brennstoffbündel nach Fig. nur an 6 Stellen herausnehmbare Stäbe eingesetzt werden. Das Brennstoffbündel 20* besteht aus einem offenen quadratischen Rohr 74, Brennstoffstäben 76, ofer unteren Halterungsplatte 78, <fer oberen Halterungsplatte 80 uiü den Abstandsstücken 82 für die Brennstoffstäbe. Die Brennstoffstäbe 76 (zu denen auch die herausnehmbaren. Stäbe 76* gehören, die durch die Öffnungen B, C, D, E, G und H eingesetzt sind) gehen in einem gewissen Abstand voneinander durch

209817/0089

eine Anzahl von Abstandsstücken 82 hindurch und werden von diesen Abstandsstücken gehaltert. ®ie Abstandsstücke 82 sind gegen die innere Oberfläche des offenen quadratischen Rohres 74 abgestützt. Die Abstandsstücke sind das Brennstoffbündel entlang in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet, der beispielsweise zwischen 35 und 40 cm betragen kann. Sie sind an einem oder mehreren Brennstoffstäben befestigt, so daß sie in Längsrichtung nicht mehr verschoben werden können. Die Verbindung zwischen den Abstandsstücken und den Brennstoffstäben kann auf verschiedene Weise hergestelltwerden. Man kann hierzu beispielsweise Verriegelungen benutzen, die an den Brennstoffstäben im gleicRen Abstand voneinander angebracht sind, den die Abstandsstücke aufweisen sollen.

Jeder Brennstoffstab 76 weist eine langgestreckte Röhre auf,

die spaltbares Material enthält. Das kann beispielsweise angereichertes Urandioxid sein. Die herausnehmbaren Stäbe können mit einem besonderen Material gefüllt sein, das irgendeinen der folgenden Stoffe enthält:

1. Brennstoff mit einem Anreicherungsgrad, der gleich oder auch ungleich dem Anreicherungsgrad des Brennstoffs in den anderen Brennsottstäben ist,

2. angereicherter Brennstoff mit einem Neutronenabsorbergemisch,

3. ein Neutronenabsorber, verdünnt mit einem indifferenten Material, wie beispielsweise verdünnt mit Aluminiumoxid oder Zirkon ox id,

4. ein spezieller Neutronenabsorber ohne weitere Zusätze.

209817/0089

Womit der gerade verwendete herausnehmbare Stab gefüllt ist, hängt von der Wirkung ab, die man erzielen will. Der Brennstoff ist üblicherweise in Form von Pillen hoher Dichte in die Hülse des Brennstoffgases eingefüllt, derart, daß diese Piellen mit ihren Sijtrnflachen gegeneinander liegen. Man kann den Brennstoff aber auch in Form einer kompakten Masse aus einem Pulver oder aus kleinen Partikeln hoher Dichte verwenden. Das Ende einer jeden Hülse ist dicht verschlossen, so daß einmal das Kühlmittel nicht in Berührung mit dem Brennstoff kommen kann, und so daß zum anderen keine Spaltprodukte aus der Brennstoffhülse austre- _ten können.

Die unteren Enden der Brennstoffstäbe werden von der unteren Halterungsplatte 78 gehaltert und stimmen mit Öffnungen 84 überein, die als Sacklöcher in der Halterungsplatte 78 ausgebildet sind. Neben diesen Sacklöchern sind Öffnungen 86 angeordnet, die direkt mit der unterenöffnung 88 des Brennstoffbündels in Verbindung stehen. Das untere Ende des quadratischen Rohres 74 paßt genau umdas obere Ende der Halterungsplatte herum. Das untere Ende der Halterungsplatte setzt sich in einem abgeschrägten Übergangsstück fort, das in einer offenen Nase 89 von kreisförmigem Querschnitt endet. Wenn das Brennstoffbündel in den Reaktor eingesetzt ist, dann sitzt diese Nase 69 auf einem der Sockel auf, die oben am Führungsrohr 24 aus Fig. 1 angeordnet ist. Wenn das Bündel in den Reaktor eingesetzt ist, steht· die untere Öffnung 88 mit der Vorratskammer 30 aus Fig, I in Verbindung.

209817/0Q89

Mehrere Brennstoffstäbe wie beispielsweise die mit 90 bezeichneten Stäbe, die in den Ecken des Brennstoffbündels angeordnet sind, sind oben mit Gewinde versehen, die durch dieiobere Halterungsplatte 80 hindurchgehen und an der Platte mittels Schrauben 92 befestigt sind. Weiterhin sind in der oberen Halterungsplatte Öffnungen 94 vorgesehen, in denen die oberen Enden der Brennstoff stäbe sitzen. Um zwischen der oberen Halterungsplatte 80 und der oberen Schulter der Brennstoffstäbe 76 eine Kraft auszuüben, sind Druckfedern 98 vorgesehen, deren Kraft durch das Drehmoment bestimmt ist, mit dem die Muttern 92 angezogen worden sind. Zwischen den Öffnungen 94, in die die Enden der Brenn-' stoff stäbe eingesetzt sind, sind in der- oberen Halterungsplatte 80 Öffnungen 96 vorgesehen, die das Innere des BrennstoffbundeIs mit dem Dom oberhalb des Brennstoffbündels verbinden. Die obere Halterungsplatte 18 ist noch mit zwei Handgriffen 100 versehen, mit deren Hilfe das Brennstoffbündel 20 in den Reaktorkern eingesetzt und aus ihm herausgenommen werden kann. Die Handgriffe können getrennte Bauteile sein, oder auch zusammen mit der Halterungsplatte aus einem Stück hergestellt sein. Sie sind parallel zueinander an zwei gegenüberliegenden Seiten der Halterungsplatte angeordnet. Durch die Verwendungjzweier paralleler Handgriffe, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind, sind die herausnehmbaren Brennstoffstäbe ohne Störung durch die Handgriffe leicht zugänglich. TJm die Handgriffe mechanisch stabiler zu machen, können sie bei 102 miteinander verstrebt sein.

209817/0089

Die Fig. 5 zeigt nun in vergrößertem Maßstab die obere Halterungsplatte 80 aus Fig. 4 von oben. Die Halterungsplatte weist 6 Öffnungen B, C, D, E, H und G für die herausnehmbaren Stäbe auf. Diese Öffnungen sind in der Fig. 6 perspektivisch und in Fig. 7 im Schnitt längs der Linie 7-7 aus Fig. 6 dargestellt. Jede dieser Öffnungen wird von einer zylindrischen Buchse 103 gebildet, die einen Schlitz 104 aufweist, der sich die gesamte Länge der zylindrischen Buchse 103 entlang erstreckt. (Die Länge des Schütses entspricht der Dicke der Halterungsplatte.) Am unteren Rand der zylindrischen Buchse 103 ist eine Vertiefung 106 ange- . bracht, die dem Schlitz 104 um 180° gegenübersteht. Der Schlitz und die Vertiefung einer jeden Öffnung für die herausnehmbaren Stäbe wirken mit einem solchen herausnehmbaren Stab zusammen, der in der Fig. 8 dargestellt ist.

In der Fig. 8 ist ein herausnehmbarer Stab 76^f dargestellt ,der ein zylindrisches Gebiet 110 aufweist, in das das in Frage kommende Material eingefüllt ist. Das untere Ende dieses Gebietes 110 ist durch einen nasenförmigen Pfropfen 112 verschlossen. Der nasenförmige Pfropfen 112 endet in einem kegelstumpfförmigen Gebiet 114, das in die Sacköffnungen 84 in der unteren Halterungsplatte eingesetzt werden kann. Daran schließt sich ein zylindrisches Gebiet 116 an, das genau in die Bohrung der Säcköffnung 84 hineinpaßt. Daran anschließend ist ein weiteres konisches Gebiet 118 vorgesetzt, das auf der oberen Oberfläche der Halterungsplatte neben dem Sackloch 84 aufsitzt. Das obere Ende des zylindrischen

209817/0089

Gebietes 110 des Brennstoffstabes 76' ist von einem oberen Pfropfen 120 verschlossen, der sich nach oben verjüngt und einen zylindrischen Schaft 122 aufweist, an dessen oberea Ende ein Anschlag 129 befestigt ist. Auf dem Schaft 122 ist gleitend und drehbar eine zylindrische Muffe 124 montiert. Am unteren Ende der Muffe 124 ragt ein Stift 126 radial nach außen. Das obere Ende der Muffe ist mit einer Mutter 128 und mit einer Umfangsnut 130 versehen. Zwischen dem unteren Ende der Muffe 124 und dem abgeschrägten Teil des Pfropfens 120 ist um den Schaft 122 herum eine Druckfeder 132 eingesetzt, die die Muffe 124 nach oben gegen den Anschlag 129 drückt. Der Verriegelungsmechanismus 135 des herausnehmbaren Stabes aus Fig. 8 weist die Mutter 128 und die ,Umfangsnut 130 auf, ferner die Muffe 124, den Stift 126 und die Druckfeder 132. Wie dieser Verriegelungsmechanismus arbeitet, wird noch beschrieben. Am Ende des Schaftes 122 ist noch ein Schlitz 136 vorgesehen, mit dem sich der herausnehmbare Stab drehen läßt.

Das Einsetzen ehes herausnehmbaren Stabes 76* in das Brennstoffbündel nach der Erfindung wird folgendermaßen durchgeführt: Zuerst wird der Stab in eine der Öffnungen B, C, D, E, G, H eingesetzt, die in den Fig. 4 bis 7 gezeigt sind. Dann wird der Verriegelungsmechanismus 135 soweit herumgedreht, daß der Stift 126 über dem Schlitz 104 steht. Daraufhin wird der Verriegelungsmechanismus gegen die Feder 132 soweit heruntergedrückt, daß der Stift 126 unten aus dem Schlitz 104 gänzlich heraustritt. Daraufhin wird die

209817/0089

Muffe 124 um 180° herumgedreht, so daß der Stift 126 genau unterhalb der Vertiefung 106 steht. Zum Schluß wird der Verriegelungsmechanismus freigegeben,so daß'die Feder 132 den Stift 126 nach oben in die Vertiefung 106 hineindrückt. Der Stift bleibt in der verriegelten Stellung in der Vertiefung 106 liegen, da die Druckfeder 132 den Verriegelungsmechanismus laufend nach oben drückt. Das Herausnehmen des herausnehmbaren Stabes geschieht in der umgekehrten Reihenfolge. Zum Greifen und zum Herumdrehen des Verriegelungsmechanismus kann man ein Werkzeug verwenden, dis an der Mutter 128 angreift. Um den herausnehmbaren Stab selbst zu greifen und herumzudrehen kann man ein Werkzeug verwenden, das in die Nute 130 eingesetzt werden kann. Es sei bemerkt, daß die Vertiefung 106 gegenüber dem Schlitz 104 nicht um 180° versetzt zu sein braucht. Diese Versetzung kann auch um irgendeinen anderenzweckmäßigen Winkel durchgeführt werden.

Die Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 zeigen auf der Diagonalen nur 4 Stellen, an denen herausnehmbare Stäbe eingesetzt werden können. Das liegt daran, daß die Handgriffe 100 über den öffnungen A und F (Fig. 4) an den Ecken des Brennstoffbündeis 7 liegen, so daß an diesen Ecken keine herausnehmbaren Stäbe eingesetzt werden können. Man kann die Handgriffe jedoch auch anders ausbilden, so daß auch die Öffnungen an den Ecken des Brennstoffbündeis zugänglich sind. Dann kann man an allen Stellen A, B, C, D, E, F, G und H' herausnehmbare Stäbe einsetzen, wie es in der Ausführungsform nach Fig. 3 der Fall ist.

209817/0089

Durch das Einsetzen von herausnehmbaren Stäben mit verschiedenen Füllungen in das Brennstoffbündel nach der Erfindung ist es möglich, wichtige nukleare Eigenschaften des Brennstoffbündels so einzustellen, wie sie die verschiedenen Reaktorbedingungen gerade erfordern. Nun sollen einige physikalische Grundlagen erörtert werden, die das Verständnis erleichtern sollen, wie die herausnehmbaren Stäbe nach derErfindung zusammen mit dem Brennstoffbündel nach der Erfindung verwendet werden können.

D ie konstante Regelstärke des Systems (also der herausnehmbaren Stäbe mit Neutronenabsorber, die in die Brennstoffbündel einge-

Ak
setzt sind) wird mit ( ~X ) bezeichnet und kann durch fol-

genden Ausdruck beschrieben werden.

(i) JgL.
mit

_F 1 +JL

k k

oa(ohne Absorberstab) - qq (mit Absorberstab)

o<a (ohne Absorberstab) und

In diesen Ausdrücken bedeutet

k«=cj = Neutronenmultiplikationskonstante in einem unendlich

ausgedehnten System
O « Anzahl der Stäbe mit Reaktorgift pro Einheitsfläche des Brennstoffbündeis (Stäbe pro cm )

r ^β Zeitabhängiger effektiver Absorberradius (cm)

209817/0089

G - = Zeitabhängiger Unterdrückungsfaktor des thermischen Neutronenflusses (dimensionslos) - siehe Gleichung (5)

^a = über das Brennst off bund el gemittelter Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen des Brennstoffs ohne Absorberstäbe (cm~ )

Der Zusammenhang zwischen dem Absorberradius und der Brennstoffbestrahlung kann in erster Fäherung durch folgenden linearen Ausdruck beschrieben werden

(4) r = r_o(1 - E/Eg)

Hierin bedeutet

r = Ursprünglicher Absorberradius (cm) E = Neutronendosis (MWD/T)

Eg = Neutronendosis, nach der die Absorberwirkung erschöpft ist. (MWD/T)

Der Unterdrückungsfaktor G für den thermischen Fluß hängt vom Absorberradius, dem Diffusionskoeffizienten im Brennstoff und der thermischen Diffusionslänge ab. In erster Näherung ändert sich G nur mit dem Absorberradius. Das kann durch folgenden Ausdruck beschrieben werden:

1 + br

Vor/":

.\_oha-3 nicht

209817/0089

Hierin "bedeutet

r = den Absorberradius (cm) und a und b Konstanten, die vom Betriebszustand des Reaktors abhängig sind. Für einen Siedewasserreaktor hat die Konstante a den Wert 4- bzw. 1, bzw. 3»1 bis 3,2 und die Konstante b den Wert 2 bzw. 1,7 bzw. 2, für einen kalten Zustand bzw. für die Betriebstemperatur bei Leistung O bzw." für Betriebstemperatur bei voller Leistung. Diese Faktoren ändern sich auf bekannte Weise für verschiedene Parameter des Reaktorkerns sowie vom Reaktortyp zu Reaktortyp.

Eine Änderung der Absorberkonzentration im Absorberstab (absorbierende Atome /cnr) ruft eine Änderung im Abbrand des Brennstoffbündels bzw. eine Änderung der im Brennstoff bund el erzeugten Strahlendosis hervor, die erforderlich ist, um die Regelwirksamkeit der fest eingesetzten Regelstäbe zu erschöpfen. Der nachfolgende analytische Ausdruck beschreibt näherungsweise die anfängliche Absorberkonzentration, die erforderlich ist, um den gewünschten Abbrand zu erreichen. Dieser Ausdruck lautet:

<K\ * ^{?Eß ar}° _A a - b 1 1 (6) € - +

In diesem Ausdruck bedeuten

^j . = zeitliches Mittel des mikroskopischen Absorptionsquer-

235 ··
Schnitts der II ^ -Äquivalente im Kernbrennstoff.

.-.- ■■ ,7:-.-v--,£^:,e «"licht

r.^i r:iisd.

209817/0089

angenäherte oder geschätzte Strahlungsstärke in einem Kerngebiet, das den gewünschten Abbrand aufweist und um die Stelle herum angeordnet ist, an der das auszutauschende Bündel eingesetzt werden soll (MWD/T)

= anfänglicher Anteil an
₅= Anteil anU ^ nach der Strahlungsstärke

Die Regelstärke des bewegbaren Regelstabes (der neben dem Brennstoff bündel angeordnet ist) wird mit GcM£)bezeichnet und kann durch folgenden Ausdruck beschrieben werden.

_lr k^uc (Regelstab herausgezogen) - k^c (Regelstab einge-(7) (ά^&) = _J*> °° schoben)

M k^> (Regelstab herausgezogen)

Hierin bedeuten k ^₃und k ^ Neutronenmultiplikationskonstanten in einem unendlich ausgedehnten System mit vollständig herausgezogenen bzw. vollständig eingeschobenen Regelstäben. Pur beide Paktoren wird angenommen, daß die herausnehmbaren Regelstäbe, also die in das Brennstoffbundel eingesetzten Regelstäbe, im Brennstoffbündel vorhanden sind, sofern sie verwendet werden.

Die Reaktivität des Brennstoffbündels sowie die Regelstärke der bewegbaren Regelstäbe werden von dem Ort beeinflußt, an dem der herausnehmbare Stab, der einen Neutronenabsorber enthält, in das Brennstoffbündel eingesetzt ist. Das liegt daran, daß ein vorgegebener Absorberstab in Gebieten mit einem hohen Neutronenfluß mehr Neutronen absorbiert als in Gebieten mit einem niedrigen

Vorn Deutcch£-n Patentamt

Ie:,-,.--;,- .::.· - ;· " ·..,.ncoha-
rü.y.: -,...-; /.:νΛ;,.;ΐώο nicht
BncA sind.

209817/0089

Neutronenfluß. Die Gebiete hohen Neutronenflusses liegen in oder dicht neben den Gebieten, in denen V/asser als Moderator vorhanden ist, da Wasser als Moderator einen verhältnismäßig niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt aufweist, und da außerdem in diesen Gebietentehr Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst sind. Die Kurve £ aus Fig. 10 zeigt nun die Neutronenflußverteilung längs der Brennstoffbündeldiagonalen 68, die sich einstellt, wenn in das Brennstoffbündel kein herausnehmbarer Absorberstab eingesetzt ist. Weiterhin geht aus der Kurve 1 hervor, daß der Neutronenfluß in den verhältnismäßig großen (Vf) und in den schmaleren (N), mit Wasser-gefüllten Zwischenräumen verhältnismäßig hoch ist, und daß der Neutronenfluß innerhalb des Brennstoffbündeis verhältnismäßig niedrig ist. In der Mitte des Brennstoffbündeis liegt ein Minimum des Neutronenflusses. Die weiteren Kurven aus Fig. 10 werden noch erläutert.

Aus der Kurve 1 aus Fig. 11 geht hervor, daß die Reaktivität des ungeregelten Brennstoffbündels dann ein Minimum ist, wenn der. ,Absorberstab an der Stelle A (Fig. 3) eingesetzt ist. Wenn der gleiche Absorberstab nacheinander an den Stellen B, C, D, eingesetzt wird, so nimmt die Reaktivität fortlaufend zu, um anschließend wieder abzunehmen, wenn man den Absorberstab an den Stellen E und F einsetzt. Umgekehrt nimmt die Regelstärke (Kurve II) des fest eingesetzten Absorberstabs zu Beginn ab und steigt dann wieder an, wenn der Absorberstab nacheinander an den verschiedenen Stellen von A bis F eingesetzt wird. Diese Kurven zeigen die Wirkung eines einzigen Absorberstabes. Die Kurven können

209817/0089

aber leicht auf mehrere Kurvenscharen hin ausgedehnt werden, aus denen dann die Wirkung mehrerer Absorberstäbe auf der Diagonalen (Stellen A bis F) sowie an anderen Orten hervorgeht, die symmetrisch zu dieser Diagonalen angeordnet sind. Das können "beispielsweise die Orte G und Ή sein.

Die Fig. 12 zeigt eine Kurvenschar, aus der der Einfluß von Änderungen des äußeren Radius des Absorbermaterials und der Einfluß von Konzentrationsänderungen des Absorbermaterials entnommen werden kann. Die Kurvenschar, die einem kleineren Absorberradius zugeordnet ist (r_Q,|) gehört zu. einer niedrigeren Regelstärke (Jk/k)p als die Kurvenschar, die zu einem größeren Absorberradius r_Qp gehört. Zusätzlich führt eine Erhöhung der Absorberdichte auf eine Erhöhung der Strahlungsdosis, die zur Erschöpfung des Absorbers notwendig ist. Das ist in der Fig. 12 durch die Kurvenschar β _ΛΛ% £₂1' ^⁵¹' ^{(fÜr den EadiuS} W und durch die Kurvenschar £^p> ^22' ^ 32 (^ür äen Radius Iqo.2 darstellt. Aus diesen beiden Kurvenscharen kann man entnehmen, daß die Regelstärke des fest eingesetzten Regelstabes durch die Auswahl des effektiven Radius oder Durchmessers des Absorbermaterials bestimmt werden kann. Änderungen in der Dichte des Absorbermaterials führen dagegen auf entsprechende Änderungen der Zeitdauer, während der eine Regelwirkung möglich ist.

Die Regelstärke der bewegbaren Regelstäbe kann ebenfalls als Funktion des Ortes geändert werden, an den ein herausnehmbarer

Vom Dout-'⁵··■:·■;-.■"! Γτΐr.TCvj

nl . . . ·:;^,2! nicht

ü«-ithid. 209817/0089

Absorberstab fest in das Brennstoffbündel eingesetzt ist. Die Anordnung des Absorberstabes die Diagonale des Brennstoffbündels entlang macht sich in einer merklichen Umverteilung des thermischen Neutronenflusses innerhalb des Brennstoffbündeis bemerkbar. Auf diese Weise kann der Neutronenfluß im Gebiet eines Regelstabes geändert werden. Die Regelstärke eines Regelstabes ist ihrerseits dem Neutronenfluß in der Umgebung des Regelstabes direkt proportional.

Man hat gefunden, daß die Regelstärke eines bewegbaren Regelstabes, der neben dem Brennstoffbündel angeordnet ist, laufend größer wird, wenn ein vorgegebener herausnehmbarer Regelstab nacheinander an den Stellen A bis F (Fig. 3) eingesetzt wird. Das ist in der Kurve I aus Fig. 13 dargestellt. Diese Erscheinung muß überraschen, da die Kurve I aus Fig. 11 zeigt, daß die Reaktivität des Brennstoff bündeis (k<=O erst anwächst und anschließend weder abnimmt, wenn der Absorberstab an den verschiedenen Stellen A bis F auf der Diagonalen nacheinander angesetzt wird. Es war daher vielmehr zu erwarten, daß die Regelstärke des fest eingesetzten Absorberstabes durch einen gleichen oder ähnlichen Kurvenverlauf in Fig. 13 beschrieben werden kann, wie es durch die Kurve II in Fig. 13 angedeutet ist. Man vermutet, daß das überraschende, laufende Ansteigen der Kurve. I aus Fig. 3 auf eine Umlenkung des Neutronenflusses im Brennstoffbündel zurückzuführen ist, derart, daß der Neutronenfluß im Bündel um die Mitte der Bündeldiagonale quasi "gekippt" wird, wenn der Absorberstab nacheinander an den S eilen D, E und F eingesetzt wird.

209817/0089

Diese Erscheinung wird durch die beiden kurvenscharen in Pig; iö beschrieben * Die erste Kurvenschar (kurven I* ίί und ilj§ zeilen den Neütronehfluß, der sieh einstellt, trenn der bewegbare Segöi-.stäb vollständig herausgezogen worden ist. Die zweite Üürvensehäi* (kurven IV* V und VI) zeigen die Verteilung des Neutronenfliisseii ' die sieh einstellt, wenn der bewegbare Megelstäb vollständig eingeschoben ist. Die Kurve VII zeigt die iieutrorienfiußdichtij auf die die Kurven Ϊ bis Vinorraiert würden»

_tDie Kurve I aus der ersten Kurvenschar der Fig. 10 zeigt die Neutronenflußverteilung längs der Bündeldiagonalen 68, die sich einstellt, wenn in das Bündel kein Absorberstab eingesetzt ist tifiä. wenn der bewegbare Regelstab vollständig herausgezogen ist. Die Kurve II zeigt die Neutronen:?lußverteilung, die sich einstellt, wenn der Regelstab vollständig herausgezogen ist und wenn ein einzelner Absorberstab an der Stelle A in das Brennstoffbündel eingesetzt ist. Die Kurve III stellt die Neutronenflußverteilung längs der Bündeldiagonalen 68 dar, die sich einstellt, wenn ein einzelner Absorberstab an der ^stelle F in das Brennstoffbündel eingesetzt ist. Auch bei der Kurve ill ist der Regelstab vollständig herausgezogen worden. Der tibersichiliehkeit wegen ist nicht die gesamte Kurvenschar gezeigt, das heißt, es fehlen die Neutrönenflußverteilungen, die sich einstellen, wenn ein Absorberstab an den Stellen B, G, D, t, G und H eingesetzt ist» Die Kurven für diese Stellen werden aber irgendwie pro| zwischen den Kurven II und ίίί verlaufen* So wird ein Absorberstab an der Stelle B eine 5feutfonMiiußvert§iiüni

.- C.I.'Cli.'AL INSPECTED 2Q9817/Ö0ö§

* die durch eitle kurve beschriebeil wird* die zwischen kurven ί und Ii liegt, während ein Absorberstab an «ief StfeÜe" E fciiie ftgütrorienflußverteilüng hervorruft, diö durch eitii kurve z#isehe"h deii Kurven ί und tit beschrieben werden IkMa. Ätis" der iiifve Ii t^bsbrberstäb bei A) geht hervor* daß der iieütrönirifiüi iffi Öebiet deä ftegeistabes Merklich niedriger ist, so däß\ die iegeistäfkö des Itögelstabös herabgesetzt ist. Ähdörerseits kann man der kurve III entnehmen, daß die Regelstärke des Regelstabes erhöht wird* wenn der Absorberstab ah der Stelle ί¹ eihgesitizt _ist. Das liegt daran, daß die Neutronen!lußverteilung aus der Mitte des Brennstoff bündeis he raü s'ge trennt wird* wiö sich aus diesen Kurvenscharen ergibt.

Aus derzweiten Kurvenschar (kurven IV, V und VI) geht nuii hervor, daß die Neutronenf lußdichte in dem Gebiet nöben dein Regelstäb bei eingeschobenem Regelstäb wesentlich niedriger als beim herausgezogenen Regelstab ist. Öie Änderungen innerhalb dieser kürvenschär als Funktion vom Ort, an dem der herausnehmbare Absorberstab eingesetzt wird, verlaufen ähnlich, Wie did änderungen innerhalb der ersten Kurvenschar. Ebenso können auch ändere Kurven gäaaLchnet werden; die die FlußVer te llung darstellen. Wenn adhr als ein Absorberstab irt das ÖfennstoffbüMei einii ist. Wenn üän ABsöfBirstäbe an die Stelidii i, i HUMr f , sit der dafäuö resültiiferide ifeütfonenflüfe in teilt niBSfi im Kugelstab gf8ief als es Übliöherwöise iflaflet Werä§n KM.

INSPECTED

.Es. ist daher möglich, durch das Einsetzen von Absorberstäben an diesen Stellen die Regelstärke des Regelstabes zu erhöhen.

Aus der bisherigen Beschreibung geht also hervor, daß man nach der Erfindung die nuklearen Eigenschaften des Reaktorkerns auf verschiedene Weise modifizieren kann. Die hauptsächlichsten Änderungen, die durch das Brennstoffbündel nach der Erfindung bewirkt werden können, sind die folgenden:

TJLC

1. Verminderung des Heutronenmultiplikationsfaktors k«^ im unendlich ausgedehnten System bei völlig herausgezogenen Regelstäben.

2. Erhöhung der Regelstärke der Regelstäbe ( £= )

3. Verminderung der Regelstärke der Regelstäbe (

4. Erhöhung des Neutronenmultiplikationsfäktors k^ für das unendlich ausgedehnte Medium bei völlig herausgezogenen Regelstäben.

5· Änderung der Dauer des Reaktorzyklus

In den nachfolgenden Beispielen werden nun einige Situationen beschrieben, in denen die Anwendung von einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale des Brennstoffbündels nach der Erfindung erforderlich erscheint.

Vom Douteoh^r· P£?.t3rvt?*mt

2098 17/0089

Beispiel 1

uc

Verminderung des Neutronenmultiplikationsfaktors koo für unendlich ausgedehntes Medium bei herausgezogenen Regelstäben

In bestimmten Situationen kann es wünschenswert sein, die Größe ko— des Ersatzbrennstoffes zu vermindern. Diese Situation kann beispielsweise auftreten, wenn es notwendig wird, die Reaktoranlage außerplanmäßig früher abzuschalten. Ein solches vorzeitiges Abschalten kann beispielsweise erforderlich sein, wenn inder Turbine oder in einem Generator ein Fehler auftritt. Bei einem solchen vorzeitigen Abschalten ist der Abbrand des Brennstoffs noch nicht weit genug gediehen, um den Ersatzbrennstoff optimal ausnützen zu können, der mehrere Monate vor dem eigentlichen planmäßigen Abschalten berechnet und hergestellt worden ist. Die

UC

Reaktivität kcx> des teilweise abgebrannten Brennstoffs im Kern ist beim vorzeitigen Abschalten noch nicht ausreichend niedrig, um mit der Reaktivität des Ersatzbrennstoffes übereinzustimmen, dessen Anreicherungsgrad und dessen Reaktivität aufgrund der Annahme einer geringen Reaktivität im Kern eingestellt wurden. Als Ergebnis hiervon kann nach dem Einsetzen des Ersatzbrennstoffs in den Kern der Abschältüberschuß des Reaktors nicht

UC

erreicht werden, da der Neutronenmultiplikationsfaktor koo des gesamten Kerns mit ergänztem Brennstoff zu groß wird. Um nun den Ereatzbrennstoff dieser Situation anzupassen, können zwei

209817/0089

Absorberstäbe entweder an den Stellen G und H (Fig. 14A) oder an den Stellen C und D (Fig. 14B) eingesetzt werden. Aus Fig. 13 geht hervor, daß die dadurch bewirkte Verringerung des Faktors kcxa praktisch keinen Einfluß auf die Regelwirksamkeit der Regelstäbe hat. Das Einsetzen· von Absorbern an den Stellen G und H hat näherungsweise die gleiche Wirkung wie das Hinzufügen von Absorbermaterial am Punkt (G,H) auf der Kurve I in Fig. 13 und ändert daher die Regelstärke der Regelstäbe praktisch nicht. Das liegt an der Verdrängungswirkung auf den Neutronenfluß, die bereits in Verbindung mit Fig. 13 beschrieben wurde. Das Einsetzen zweier Absorberstäbe an den Punkten C und D führt dazu, daß der Verdrängungseffekt teilweise wieder aufgehoben wird, den man beobachten kann, wenn nur ein Absorberstab entweder. am Punkt C oder an der Stelle D eingesetzt wird. Aus den Kurven I und III der Fig. 11 geht hervor, daß die Reaktivität ko« des ganzen Brennstoffbündeis durch das Einsetzen dieser Absorberstäbe (an den Stellen C und D) oder an den Stellen G und H) etwas geringer wird, und damit kann auch eine etwas verringerte Regelwirksamkeit der Regelstäbe verbunden sein. Diese Verminderung der Regelwirksamkeit der Regelstäbe kann jedoch wieder aufgehoben werden, wenn man einen Absorberstab (mit dem richtig gewählten Absorberradius) an derStelle E einsetzt und dadurch die ursprüngliche Regelwirksamkeit der Regelstäbe wieder herstellt.Das ganze Brennstoffbündel hat dann eine niedrigere Reaktivität, während die Verdrängungswirkung des Absorberstabes an der Stelle E auf den Neutronenfluß die ursprüngliche Regel-

209817/0089

Wirksamkeit des Regelstabes wieder herstellt. Weiterhin ist hier zu bemerken, daß eine merkliche Verminderung des Faktors k des ganzen Systems dazu verwendet werden kann, die Regelwirksamkeit eines einzelnen Absorberäabes zu vermindern. Das wird anschließend in Verbindung mit Beispiel 3 beschrieben. Je nachdem, welches Ergebnis man erzielen will, kann auch nur ein Absoberstab an einer der oben erwähnten Stellen eingesetzt werden.

Beispiel 2
Erhöhung der Regelwirksamkeit der bewegbaren Regelstäbe (Δk/k)

Wenn die Reaktoranlage außergewöhnlich früh abgeschaltet wird, so daß der Reaktorkern gegenüber der angenommenen Reaktivität zum Zeitpunkt des planmäßigen Abschaltens einen großenReaktivitätsüberschuß besitzt, und" wenn mit einer besonders großen Regelwirksamkeit einzelner Absorberstäbe keine Schwierigkeit

VlC

verbunden ist, kann es wünschenswert sein, den Faktor ko^> des Brennstoffs zu vermindern und gleichzeitig die Regelwirksamice it zu erhöhen. Dieses Ziel läßt sich erreichen, wenn man einen Absorberstab an der Stelle F einsetzt, wie es in Fig. 15 dargestellt ist. Aus der Kurve I aus der Fig. 13 kann man entnehmen, daß die Regelwxrksamkeit des Regelstabes merklich erhöht wird, während aus der Kurve I aus Fig. 11 hervorgeht, daß gleichzeitig dadurch die Reaktivität des Brennstoffbündels herabgesetzt wird. Aus den vorstehenden Erörterungen der Fig. 10 geht ebenfalls her-

209817/0089

vor, daß man auch einen oder mehrere Absorberstäbe an die Stellen D, E und F einsetzen kann. Das hängt davon ab, in wie weit die Regelwirksamkeit des Regelstabes erhöht und/oder der Faktor kc=^ des Brennstoffs erniedrigt werden soll. Man muß hierbei jedoch darauf achten, daß der notwendige Abschaltüberschuß der Regelstäbe gewährleistet ist, wenn der Reaktor wieder in Betrieb genommen wird. Es ist nämlich denkbar, daß die Absorberwirkung der herausnehmbaren Absorberstäbe sehr früh erschöpft ist, so daß dia Reaktivität des Brennstoffbündels oder des ganzen Kerns wieder so hoch wird, daß eine Absiialtwirkung mit den Regelstäben alleine nicht mehr erreicht werden kann.

Beispiel 3
Verminderung der Regelwirksamkeit der Regelstäbe (A k/k)

Um eine bessere radiale Leistungsverteilung innerhalb des Reaktofs zu erhalten, und um die Anzeige der Instrumente zur Messung des Neutronenflusses innerhalb des Kerns zu verbessern, kann es günstig sein, die Regelwirksamkeit sämtlicher Regelstäbe des Reaktors herabzusetzen. Weiterhin kann es günstig sein, die Regelwirksamkeit eines Regelstabes an einem ganz bestimmten Ort innerhalb des Reaktorkerns zu vermindern. Beides kann leicht mit dem Brennstoffbündel nach der Erfindung erreicht werden. Hierzu braucht man nur einen oder mehrere Absorberstäbe an den Stellet A, B oder C (Fig. 3) in das oder die Brennstoffbündel einzusetzen. Wenn man beispielsweise Absorberstäbe an den Stellen

209817/0089

A, B und C einsetzt, wie es in Fig. 16 dargestellt ist, so kann man der Kurve I aus Fig. 11 entnehmen, daß der Faktor kc, des Brennstoffs vermindert wird. Aus der Kurve I aus Fig. 13 geht hervor, daß die Regelwirksamkeit der Regelstäbe ebenfalls vermindert wird. Wie stark nun die Regelwirksamkeit sämtlicher Regelstäbe herabgesetzt wird, hängt von der Anzahl der Brennstoffbündel ab, in die Absorberstäbe eingesetzt werden, sowie von der Anzahl der'Absorberääbe und den Stellen in dem jeweiligen Brennstoffbündel, an denen diese Stäbe eingesetzt werden. Die Verminderung der Regelwirksamkeit eines bestimmten Drehstabes ist durch die Anzahl und den Ort von Absorberstäben in einem bestimmten Brennstoffbündel bestimmt.

Im Beispiel nach Fig. 16 sind Absorberstäbe an den Stellen A, B und C angeordnet. Bei einer vorgegebenen Regelwirksamkeit dieser Absorberstäbe resultiert hieraus die größtmögliche Verminderung der Regelwirksamkeit aller Regelstäbe als auch eines bestimmten Regelstabes. Das kann man aus der Kurve I aus Fig. 13 folgern, aus der zu sehen ist, daß Absorberstäbe an den Stellen C, B und A auf eine immer größer werdende Verminderung der Regelwirksamkeit eines Regelstabes führen. Die gesamte Verminderung der Wirksamkeit eines bewegbaren Regelstabes ist geringer als die Summen der Verminderungen, die jeweils ein Absorp tionsstab an den Stellen A, B und C hervorruft. Die Gesamtverminderung der Regelwirksamkeit aller drei Stäbe zusammengenommen ,ist jedoch grö; ser als die Verminderung der Regelwirksamkeit, die irgendeiner dieser Stäbe für sich allein hervorruft. Wenn eine kleinere Reduzierung der Regelwirksamkeit der Regelstäbe erforderlich ist, genügt es, eine ge-, ringere Anzahl von Absorberstäben an einer der Stellen A, B oder C einzusetzen.

209817/0089

Wenn dagegen die Regelwirksamkeit noch stärker vermindert werden soll, kann man den Radius des Absorbermaterials in den Absorberstäben vergrößern.

'Beispiel 4

uc

Erhöhung des Neutronenmultiplikationsfaktors ko^ für ein unendlich ausgedehntes Gebiet mit herausgezogenen Regelstäben.

Unter bestimmten Umständen kann es wünschenswert sein, den Faktor koc, des Reaktorkerns zu erhöhen, der bereits benutzte Brennstoff bündel enthält. Dieses kann beispielsweise auftreten, wenn der Betrieb der Kernreaktoranlage ausgedehnt und damit das Abschalten nach Plan verschoben werden muß, weil eine andere Anlage, die das gleiche Stromnetz beliefert, außerplanmäßig stillgelegt worden ist. Unter diesen Bedingungen ist die Reaktivität der Ersatzbrennstoffbündel (die mehrere Monate im voraus hergestellt worden sind) nicht mehr groß genug, um den Reaktorkern bis zum nächsten planmäßigen Abschalten auf voller Betriebsleistung zu halten. Häufig-ist es zu einem solchen Zeitpunkt nicht zweckmäßig, einen größeren ^nteil des teilweise benutzten Brennstoffs herauszunehmen und durch neuen Brennstoff zu ersetzen. In einem solchen Fall können an einer oder mehreren der Stellen A, B, C, D, E, F, G und H (Fig. 3 und 17) herausnehmbare Stäbe mit einer größeren Reaktivität eingesetzt werden, also Stäbe, die

209817/0089

die weniger Absorptionsmaterial und/oder Brennstoff mit einem höheren Anreicherungsgrad aufweisen. Zusätzlich zu der Einstellung der Reaktivität kann auch noch ein Absorberstab beispielsweise an. der Stelle B eingesetzt werden, um die ursprüngliche Regelwirksamkeit der Regelstäbe beizubehalten. Das kann beispielsweise nötig sein, um den ausreichenden Abschaltüberschuß zu gewährleisten.Zusätzlich können in die bereits benutzten Brennstoffbündel, die nicht ersetzt worden sind, herausnehmbare Stäbe mit angereichertem Brennstoff an irgendeiner der Stellen A bis H eingesetzt werden, um die Reaktivität der einzelnen bereits benutzten Brennstoffbündel zu erhöhen.

Beispiel 5

Änderung der Dauer des Reaktorzyklus

Wenn Änderungen in der Betriebsplanung für eine Kernreaktoranlage auftreten, kann es wünschenswert sein, die Zeitspannen zwischen dem Stillegen des Reaktors zum Einsetzen neuen Brennstoffes zu verkürzen oder auszudehnen. Solche Änderungen in der Betriebsplannung können beispielsweise durch unvorhergesehene Kapazitätsänderungen bedingt sein, durch die das Stillegen des Reaktors zu ungünstigen Zeitpunkten im Jahr erforderlich wird. Solche Änderungen ii/den Zeitspannen zwischen dem Beschicken des Reaktors mit neuem Brennstoff können es' notwendig machen, daß

209817/0089

daß mehr oder weniger Brennst'ofbündel in den Reaktor eingesetzt werden müssen. ^Tt7enn die Zeitspanne zwischen zwei Beschickungen vergrößert werden soll, muß der Faktor k©^ des neuen Brennstoffs mit einer höheren Reaktivität vermindert werden, wie es im Beispiel 1 angegeben ist, um den Bedingungen im Reaktor zum Zeitpunkt des späteren Abschaltens zu genügen. Zusätzlich muß bei der Erhöhung oder Verminderung der Zahl der auszutauschenden Brennstoffbündel die atomare Absorberdichte in den herausnehmbaren Stäben geändert werden, um auch die Absorptionseigenschaften den geänferten Betriebszeiten anzupassen. Entweder muß man däSir sorgen, daß die Absorptionswirkung der Absorber nicht zu rasch erschöpft wird, oder man muß dafür sorgen, daß die Absorptionswirkung der Absorber nicht zu rasch erschöpft wird, oder man muß dafür sorgen, daß die Absorptionswirkung am Ende eines Betriebszyklus erschöpft ist. Das hängt davon ab, ob der Betriebszyklus des Reaktors verlängert oder verkürzt werden soll. Durch das Brennstoffbündel der Erfindung ist es möglich, Absorberstäbe gegen andere Absorberstäbe mit jeder gewünschten atomaren Absorberkonzentration auszutauschen, so daß Betriebsplanänderungen berücksichtigt werden können, die ganz kurzfristig durchgeführt werden.

Aus der Beschreibung der Erfindung und aus den vorstehenden Beispielen geht hervor, daß das Brennstoffbündel nach der Erfindung leicht so eingestellt werdenjkann, daß es den gerade

209817/0089

herrschenden Bedingungen in einem Reaktor bestmöglich angepaßt ist. Dieses kann entweder durch Modifizierung der neu einzusetzenden Brennstoffbündel geschehen, oder aber durch Modifi zierung der bereits verwendeten Brennstoffbündel, die nach Plan noch nicht ausgetauscht werden sollen. Es sei bemerkt, daß das Brennstoffbündel nach der Erfindung nicht nur beim Auftreten der oben beschriebenen Situationen verwendet werden kann. Seine Anwendung ist vielmehr auch in vielen anderen Situationen nützlich. ,

Es wurde vorstehend ein herausnehmbarer Stab beschrieben , und es wurde beschrieben, wie dieser. Stab in ein Brennstoffbündel eingesetzt und in ihm verriegelt werden kann. Diese Beschreibung wurde anhand eines Ausführungsbeispieles durchgeführt,daviele andere Anordnungen hierfür geeignet sind. Weiterhin sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf quadratische B renn st off bündel mit 6x6 Stäben beschränk ist. Die Erfindung kann vielmehr auch in Verbindung mit größeren und kleineren Brennstoffbündeln verwendet werden, bei denen Öffnungen für die herausnehmbaren Stäbe sowohl auf der Bündeldiagonalen als auch an Stellen vorgesehen sind, die zur Bündeldiagonalen symmetrisch liegen. In manchen Fällen kann es weiterhin günstig sein, längs der Diagonalen oder an dazu symmetrischen Stellen eine geringere Anzahl von Stellen zum Einsetzen herausnehmbarer Stäbe vorzusehen.

209817/0089

Weiterhin wurde bereits bemerkt, daß die Erfindung auch auf nicht quadratische Brennstoffbündel anwendbar ist, bei denen die Linien, auf denen die herausnehmbaren Stäbe eingesetzt.werden können, keine Diagonalen im wörtlichen Sinne mehr sind.

Als Absorber, die in die herausnehmbaren Stäbe nach der Erfindung eingefüllt- werden können, sind unter anderem folgende Elemente brauchbar: Gadolinium, Europium, Erbium, Dysprosium, Samarium, Bor, Thorium, Pu , U und viele andere mehr. Es hat sich gezeigt, daß Gadolinium als Absorber besonders gut geeignet ist, da es einen sehr großen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen auf v/eist. Dadurch kann sich ein Gegenstand aus Gadolinium selbst abschirmen.' Dieser selbstabschirmenden Eigenschaften wegen führt die iVufzehrung der Gadolinium-Isotope bei zylindrischer Geometrie durch Neutroneneinfang auf eine Abnahme des gesamten Absorptionskoeffizienten des Gadolinium-Zylinders, die linear mit der Strahlungsdosis und damit linear mit dem Abbrand im Reaktor verläuft. Die lineare Abnahme des makrospkopischen Absorptionsquerscnnittes eines Absorberstabes ist günstig, da auch die Reaktivität des Brennstoffs linear mit dem Abbrand abnimmt. Macht man diese beiden linearen Relationen gleich, so kann man erreichen, daß die Reaktivität eines Brennstoffbündels sich beim fortlaufenden Abbrand nicht ändert. Zusätzlich sei noch bemerkt, daß man in einen herausnehmbaren Stab spaltbares Material und/oder Brutmaterial einfüllen kann.

2 0 9 8 17/0 0 0 ί

Claims

1S89801 Ansprüche

1. Brennstoff "bundel für Kernreaktoren mit mehreren Brennstoff-Stäben, die in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung oben und unten durch Halterungsplatten gehaltert sind, dadurch gekennzeichnet , daß an mindestens einer für die Aufnahme von Brennstoffstäben in das Brennstoffbundel bestimmten Stelle an der oberen Halterungsplatte eine Vorrichtung vorgesehen ist, an der ein Stab, der mit einem Material von hohem Neutroneneinfangsquerschnitt gefüllt ist, derart gehaltert ist, daß dieser Stab aus dem Brennstoffbündel ohne Lösung der Halterungen der restlichen Brennstoffstäbe des Bündels herausnehmbar ist, daß die Vorrichtung zur Halterung des Stabes auf einer geraden Linie liegt, die durch die Mitte des Brennstoffbundeis sowie durch die Längsachse eines Regelstabes hindurchgeht, der innerhalb des Reaktors neben dem Brennstoffbündel angeordnet ist, und zwar zur Erhöhung der Regelwirksamkeit dieses Regelstabes.an einer Stelle, die vom Regelstab aus gesehen jenseits der Mitte des BrennstoffbündeTs liegt.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Haltern des herausnehmbaren Stabes aus einer Öffnung in der oberen Halterungsplatte mit einem Schlitz besteht, der durch die ganze obere Halterungsplatte hindurchgeht, und daß der herausnehmbare Stab eine

209817/0089

Ί689801

mit der Öffnung und dem Schlitz zusammenwirkende Verriegelungsvorrichtung zum Verriegeln des Stabes im eingesetzten Zustand aufweist.

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Haltern des herausnehmbaren Stabes hohlzylindrisch ausgebildet ist und mit einem axial verlaufenden durchgehenden Schlitz versehen ist, und daß gegenüber diesem Schlitz um einen Winkel versetzt eine Vertiefung vorgesehen ist, die in der oberen Halterungsplatte eingelassen ist, in die die Verriegelungsvorrichtung des herausnehmbaren Stabes eingreift.

4. Brennstoffbündel nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß zumindest zwei weitere herausnehmbare Stäbe in Halterungsvorrichtungen an der oberen Halterungsplatte derart gehaltert sind, daß sie ohne Lösen der Halterung für die restlichen Stäbe des Bündels herausnehmbar sind, und daß die beiden zusätzlichen herausnehmbaren Stäbe an für Brennstoffstäbe innerhalb des Bündels vorgesehenen Stellen angeordnet sind, die symmetrisch zu der Linie angeordnet sind, die durch die Stelle für den ersten herausnehmbaren Stab und durch die Längsachse des Regelstabes hindurchgeht.

5. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einer der herausnehm-

Vcm Dou^.T-hr;-."i F:""?--,;

^cc" ' ^! 209817/0089

"baren Stäbe mit einem Material gefüllt ist, das einen der folgenden Stoffe enthält:

1. Brennstoff mit einem Anreicherungsgrad, der gegenüber dem Anreicherungsgrad des Kernbrennstoffes in den restlichen Stäben gleich oder unterschiedlich ist,

2.. Kernbrennstoff, gemischt mit einem besonderen neutronenabsorber,

3. neutronenabsorbierendes Material, verdünnt mit einem neutralen Stoff,

4·. Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt ohne weitere Verdünnung.

6. Brennstoffbundel nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß zur Änderung der Regelstärke eines Regelstabes und/oder zur Änderung der Reaktivität des Brennstoffbündels an ganz bestimmten Stellen ein oder mehrere herausnehmbare Stäbe in das Brennstoffbündel eingesetzt sind.

7. Brennstoffbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zur Verminderung der Reaktivität des Brennstoffbündels in die Mitte des Brennstoffbündels ein herausnehmbarer Stab eingesetzt ist, der mit einem Material von hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt gefüllt ist.

8. Brennstoffbundel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erhöhung der Reaktivität des

Vom D3ut"c!h~~: P-v^rv

»_ö.-.^s*.j. 209817/0089

Brennstoffbündels in die Mitte des Brennstoffbündels ein mit Kernbrennstoff gefüllter herausnehmbarer Stab eingesetzt ist.

Vcrn De'jfc

ohne l^J.'~-

nlcc-j-.c-iä V-.-;-.;«.^:Oi^.-ii2S nicht

209817/0089

Leerseite

ν f 8 3 O i