CH644963A5

CH644963A5 - Verfahren zum fuellen mit kernbrennstoff und betreiben eines kernreaktorkernes.

Info

Publication number: CH644963A5
Application number: CH930479A
Authority: CH
Inventors: Steven Robert Specker; Craig Delany Sawyer; Russell Lee Crowther; Bennett Jay Gitnick; Kenneth Verl Walters; Robert Edward Brown; Larry Edgar Fennern
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1978-10-19
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1984-08-31
Also published as: SE441552B; NL7907285A; JPS5844237B2; DE2953818C2; SE8405776L; IT7926586A0; SE441552C; US4285769A; SE7908661L; JPS61111488A; IT1123899B; ES485124A1; DE2941076A1; DE2941076C2; JPH0445795B2; JPS5570792A; SE8405776D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen mit Kernbrennstoff und Betreiben eines Kernreaktorkernes mit einer Vielzahl von Zellen, wobei jede Zelle eine Vielzahl einzeln ersetzbarer Brennstoffeinheiten enthält, die einen selektiv einschiebbaren Kontrollstab umgeben und der Reaktor nach jeweils einem Zyklus periodischen Betriebes zum Ersatz eines Teiles der Brennstoffeinheiten des Kernes abgeschaltet wird.

Kernbrennstoffe schliessen Uran und/oder Plutonium in geeigneter Form ein. Ein z.B. für wassergekühlte und -moderierte Kernreaktoren üblicherweise benutzter Brennstoff umfasst Urandioxid (UCb), in dem etwa 0,7 bis 4% spaltbares U-235 im Gemisch mit brütbarem U-238 vorliegen. Während des Reaktorbetriebes wird ein Teil des brütbaren U-238 in spaltbares Pu-239 und Pu-241 umgewandelt, das zum Aufrechterhalten der Reaktorleistung beiträgt. Für hochenergie-reiche Neutronen ist auch das U-238 spaltbar.

In bekannten Siedewasserreaktoren, wie z.B. in der Dresden-Kernenergiestation bei Chicago, Illinois, liegt der Kernbrennstoff üblicherweise in Form gesinterter Pellets vor, die in einem langgestreckten Rohr enthalten sind, das aus einem geeigneten Metall besteht, wie einer Zirkonlegierung. Das Ganze bildet ein Brennstoffelement oder einen Brennstoffstab, wie er z.B. in der US-PS 3 365 371 gezeigt ist. Das Rohr, das durch Endstopfen abgeschlossen ist, dient der Isolation des Kernbrennstoffes vom Moderatorkühlmittel und zur Verhinderung der Abgabe von Spaltprodukten.

Solche Brennstoffelemente sind in Gruppen angeordnet und werden durch obere und untere Halteplatten in separat ersetzbaren Brennstoffeinheiten oder -bündeln zusammengehalten, wie sie z.B. in der US-PS 3 689 358 gezeigt sind. Eine ausreichende Zahl solcher Brenntoffeinheiten wird in einer Matrix angeordnet, die sich einem kreisförmigen Zylinder annähert und bildet den Kernreaktorkern, der eine Ketten-spaltreaktion aufrechterhalten kann. Der Kern befindet sich in einer Flüssigkeit, wie leichtem Wasser, das sowohl als Arbeitsflüssigkeit als auch als Neutronenmoderator dient.

Kernreaktoren werden üblicherweise periodisch mit neuem Brennstoff versehen, der überschüssige Reaktivität aufweist, die ausreicht, den Betrieb während eines Betriebszyklus aufrecht zu erhalten, der häufig in der Grössenordnung von einem Jahr liegt und im folgenden als Nachladezyklus bezeichnet wird. Bei diesem Nachladen wird der Reaktor abgestellt und es wird üblicherweise etwa lA der Brennstoffeinheiten ersetzt. Die Überschussreaktivitä zu Beginn eines Betriebszyklus erfordert ein Kontrollsystem ausreichender Stärke, um den wirksamen Multiplikationsfaktor während des Reaktorbetriebes bei eins zu halten. Das Kontrollsystem umfast üblicherweise neutronenabsorbierende Materialien, die die Neutronenvermehrung steuern, in dem sie die Neutronen ohne Spaltung einfangen.

Das Kontrollsystem schliesst eine mechanische Steuerung in Form einer Vielzahl von Kontrollstäben ein, die neutronenabsorbierendes Material enthalten und die selektiv einführbar sind in die Räume oder Spalte zwischen den Brennstoffeinheiten, um die Reaktivität zu steuern und somit das Leistungsniveau des Kernes. In einer bekannten Anordnung, wie sie z.B. in der US-PS 3 020 888 gezeigt ist, weisen die Kontrollstabblätter einen kreuzförmigen Querschnitt auf,

wodurch die Flügel der Blätter jedes Kontrollstabes in die Räume zwischen vier benachbarte Brennstoffeinheiten eingeführt werden können. Jede solche Gruppe von vier Brennstoffeinheiten, die einen Kontrollstab umgeben, kann als eine Kernzelle bezeichnet werden. In der vorgenannten US-PS 3 020 888 sind geeignete neutronenabsorbiernde Materialien und Antriebsmechanismen für den Kontrollstab beschrieben.

Das Kontrollsystem kann auch einen abbrennbaren Neutronenabsorber einschliessen, wie Gadolinium, der mit einem

Teil des Brennstoffes vermengt ist. Die in der Natur vorkommenden Gadolinium-Isotope 155 und 157 sind starke Neutronenabsorber, die durch die Neutronenabsorption in Isotope geringerer Kontrollstärke (Neutronenabsorptionskapazität) umgewandelt werden. Die Verwendung solcher brennbaren Absorber vermindert die erforderliche Menge an mechanischer Kontrolle durch geeignete Anordnung der abbrennbaren Absorber, wodurch Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsverteilung erzielt werden können. Häufig werden die abbrennbaren Absorber in die Brennstoffelemente in einer Mischung mit ausgewählten Teilen des'Kernbrennstoffes eingefüllt. Eine Anordnung abbrennbarer Absorber ist z.B. in der US-PS 3 799 839 gezeigt.

Weitere Information hinsichtlich Kernreaktoren kann z.B. in dem Buch von N.M. El-Wakil «Nuclear Power Engineering» McGraw-Hill Book Company Inc. 1962, gefunden werden.

Die rohrförmigen Brennstoffelementhüllen, die eine Dicke in der Grössenordnung von etwa 0,8 mm haben, werden aufgrund des hohen Druckes, der hohen Temperatur, der Kernstrahlung und des Angriffes der Spaltprodukte in der Umgebung des Kernreaktorkernes stark beansprucht. Das Herausziehen eingeführter Kontrollstäbe erhöht die lokale Leistung in benachbarten Brennstoffelementen stark. Solche plötzlichen starken Veränderungen im lokalen linearen Leistungsniveau (kilowatt/foot) des Brennstoffes kann zu hohen lokalen Belastungen aufgrund der Wechselwirkung der Brennstoffpellets mit der Umhüllung führen. Wenn die sich ausdehnenden trennenden Kanten benachbarter Pellets oder die benachbarten Seiten eines Pelletrisses sich gegen die Umhüllung pressen, dann kann die dabei erhaltene lokal auftretende Belastung die Belastbarkeit der Umhüllung übersteigen und einen Bruch bzw. Riss darin verursachen, der das Eindringen von Kühlmitteln in das Brennstoffelement und das Entweichen von Spaltprodukten aus dem Brennstoffelement in das umgebende Kühlmittel gestatten. Diese unerwünschte Erscheinung ist als «Pellet-Umhüllungwechselwir-kung» bekannt geworden. Es gibt eine vom Brennstoffabbrand abhängige Schwelle, unterhalb der die Umhüllung unabhängig von der Grösse der Zunahme der linearen Leistung bisher nicht versagt hat.

Zu den vorgeschlagenen Lösungen des Problèmes der Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung gehört ein Verfahren zum Behandeln des Brennstoffes, damit er den nachfolgenden raschen Leistungsänderungen widersteht. Dieses Verfahren ist in der US-PS 4 057 466 beschrieben. Dieses Verfahren umfasst, kurz gesag, eine regulierte systematische Kontrolle der Leistungszunahmegeschwindigkeit z.B. auf weniger als 0,1 kilowatt/foot pro Stunde, damit sich die die lokale Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung erzeugenden Kräfte entspannen können. Diese Geschwindigkeit wird unterhalb der kritischen Geschwindigkeit gehalten, die eine Beschädigung der Umhüllung verursacht und dies für Zunahmen in der lokalen linearen Leistung zwischen dem obengenannten Schwellenwert und dem erwünschten maximalen lokalen linearen Leistungsniveau. Nach einer solchen Behandlung wurde festgestellt, dass relativ rasche Leistungsänderungen unterhalb des mximalen Niveaus ohne Beschädigung der Umhüllung vorgenommen werden konnten. Der hauptsächliche Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Behandlung relativ lange dauert, da sie die Zeit für den Betrieb bei normalen Leistungsniveaus vermindert. In vielen praktischen Betriebssituationen ist es auch unmöglich, den Brennstoff nahe den eingeführten Kontrollstäben vollständig zu behandeln.

Eine andere Erscheinung beim Betrieb eines Kernreaktors ist die sogenannte «Kontrollstabgeschichte». Die Wirkung der Anwesenheit eines Kontrollstabblattes ist die, die

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Geschwindigkeit des Abbrennens des spaltbaren Brennstoffes in der Umgebung stark zu vermindern, während die Umwandlung des brutfähigen U-238 in spaltbares Pu-239 merklich weniger reduziert wird. Wenn daher ein solcher Kontrollstab herausgezogen wird, dann nimmt die Leistung in dem Brennstoff, der dem Kontrollstab am nächsten war, d.h. in der Kante und den benachbarten peripheren Brennstoffelementen der Brennstoffeinheit zu einem grösseren Masse zu als in dem Brennstoff, der weiter vom Kontrollstab entfernt war. Diese Wirkung der Kontröllstabgeschichte ist am grössten für den Brennstoff im Brennstoffelement in der Ecke der Brennstoffeinheit benachbart dem Kontrollstab und diese Wirkung wird um so ausgeprägter, je länger der Kontrollstab benachbart dem Brennstoff verbleibt. Die Wirkung der Kontrollstabgeschichte ist am grössten für Auslegungen, in denen es keine Nachfolger (im Englischen «follower») auf die Kontrollstäbe gibt.

Eine andere Erscheinung in Siedewasserreaktoren ist die «axiale Dampfblasenunterdrückung». In solchen Reaktoren verursacht das Sieden des Kühlmittels innerhalb individueller Kanäle eine negative Leistungsrückführung, weil die lokale Reaktivität des Brennstoffes mit zunehmenden Dampfblasen abnimmt. Wird ein Kontrollstab partiell in den Boden eines Kanales eingeführt, dann unterdrückt er das Sieden nahe dem Kontrollstabblatt und verursacht dadurch eine entsprechende Verminderung an Dampfblasen in den Bereichen höherer Reaktivität oberhalb des Kontrollstabblattes. Das reduzierte Sieden oberhalb eines teilweise eingeführten Kontrollstabes kann eine starke Leistungsspitze verursachen, die die Leistung in einem Kanal übersteigen kann, wenn der Kontrollstab vollkommen herausgezogen ist.

Es wurden schon früh bei der Auslegung und dem Betrieb von Kernreaktoren der besprochenen Art Verfahren und Muster für die Einführung und das Herausziehen von Kontrollstäben entwickelt. Das grundlegende Herangehen bestand darin, zu versuchen, das Abbrennen des Brennstoffes, die Erzeugung von Plutonium und die Wirkungen der Kontrollstabgeschichte so gleichmässig als möglich zwischen den Brennstoffeinheiten des Kernes zu verteilen, indem man die Kontrollstabmuster periodisch revidierte und austauschte.

In bekannten Kontrollstab-Betriebsverfahren für Reaktoren der beschriebenen Art werden die Kontrollstäbe in verschiedenen alternierenden Mustern angeordnet, die es gestatten, die eine Gruppe von Kontrollstäben während des Betriebes durch eine andere auszutauschen. Es bestehen üblicherweise zwei, drei oder vier Muster von Kontrollstäben, die alternativ in den Reaktorkern eingeführt werden, um die Leistungsform und die Abbrennreaktivität zu steuern.

Gemäss den bekannten Kontrollstab-Betriebsprozeduren wird der Kern mit einem gegebenen Kontrollstabmuster für eine Periode der Energieerzeugung betrieben. Dann vermindert man die Leistung und tauscht dieses Muster gegen ein anderes aus usw. Es kann daher fünf bis acht Kontrollstab-musteränderungen während eines jährlichen Betriebszyklus des Reaktors geben. Diese Kontrollstabmuster und das Austauschen der Muster sind z.B. detailliert in der US-PS 3 385 758 beschrieben.

Die bekannten Kontrollstab-Betriebsverfahren führen dazu, dass der grösste Teil des Brennstoffes während seiner Aufenthaltszeit von etwa vier Jahren im Kern eine Bewegung eines benachbarten Kontrollstabes im Leistungszustand des Reaktors erfährt. Eine solche Kontrollstabbewegung ergibt sich aus der Abbrennkontrolle, dem Austauschen von Kontrollstabmustern, der Lastfolge, der Xenon-Übergangskon-trolle, der Brennstoffbehandlung usw. Diese Betriebsvariablen führen dazu, dass die Gesamtzahl der Kontrollstabbewegungen, die der Brennstoff erfährt, unerwünscht hoch ist. Darüber hinaus führt das Austauschen der Kontrollstabmuster zur Anregung von Xenon-Übergängen bzw. Xenon-Gipfeln in der räumlichen Leistungsverteilung und die Bewe-gungszwänge für die Kontrollstäbe aufgrund thermischer, hydraulischer, sicherheitsmässiger Grenzen und solcher hinsichtlich der Brennstoffbehandlung machen den Reaktorbetrieb in unerwünschter Weise komplex und erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers des Betriebspersonals. Die bekannten Betriebsverfahren neigen zur Einschränkung des thermischen und sicherheitsmässigen Spielraumes, erhöhen die Herstellungskomplexizität, vermindern die Kapazitätsfaktoren und erhöhen das Risiko der Brennstoffbeschädigung.

Eine Zusammenfassung der beobachteten Probleme bei den bekannten Betriebsverfahren von Seidewasserreaktoren mit Kontrollstabmusteraustausch ergibt folgendes:

(1) Die Reaktorleistung muss zur Durchführung des Austausches vermindert werden, während gleichzeitig eine Anpassung an die Zwänge der Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung erforderlich ist. In vielen Fällen sind bis zu fünf Tage erforderlich, um den Reaktor nach dem Austausch auf volle Leistung zurückzubringen, was den Kapazitätsfaktor des Reaktors reduziert.

(2) Die Austauschvorgänge der Kontrollstabmuster komplizieren die Reaktorauslegung und seinen Betrieb. Da der Austausch der Kontrollstabmuster aus bestimmten Gründen erfolgt, wenn die Leistung des Reaktors vermindert ist, sind die Reaktoroperationen schwierig zu planen und ähnliche Reaktoren werden unterschiedlich während eines Nachladezyklus betrieben.

(3) Das Austauschen der Kontrollstabmuster und die damit verbundenen Leistungsverminderungen führen zu räumlichen und nicht-räumlichen Xenon-Übergängen bzw. -Gipfeln, die die Reaktoroperationen komplizieren und zu den Schwierigkeiten beitragen, die Grenzen einzuhalten, um Wechselwirkungen zwischen den Brennstoffpellets und der Umhüllung der Brennstoffelemente zu vermeiden.

(4) Das Betriebspersonal des Reaktors braucht wegen der komplizierten, miteinander in Wechselwirkung stehenden dreidimensionalen Variablen und Zwänge länger, um den Reaktor bedienen zu lernen. Dies erhöht die Möglichkeit von Fehlern durch das Betriebspersonal.

(5) Der gesamte Brennstoff mit Ausnahme dessen, der an der Peripherie des Kernes angeordnet ist, erfährt starke Zunahmen der linearen Leistung aufgrund der Bewegung des benachbarten Kontrollstabes während eines Nachladezyklus. Die Kernperipherie ist üblicherweise der einzige Bereich, wo der Brennstoff so angeordnet werden kann, dass er keine Bewegung eines benachbarten Kontrollstabes erfährt.

(6) Alle Kontrollstäbe, ausgenommen derer, die nahe der Kernperipherie angeordnet sind, müssen einer zweifachen Funktion dienen, nämlich die Leistungsform und die Abbrennreaktivität zu kontrollieren und das Abstellen des Reaktors zu bewirken. Spezielle Auslegungscharakteristiken für diese verschiedenen Funktionen können daher nicht leicht in die Kontrollstäbe und deren Antriebe eingebaut werden.

(7) Die Anwendung automatischer Leistungsverteilungs-raumformkontrolle für die Lastfolge und andere Zwecke wird stark kompliziert durch die grosse Zahl der Variablen und ihrer komplexen Wechselwirkung. Ausserdem sind die folgenden Nachteile vom Anordnen von Kontrollstäben benachbart Brennstoff hoher Leistung oder hoher Reaktivität oder benachbart Brennstoff, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält, beobachtet worden:

Wasser mit wenig Dampfblasen oberhalb teilweise eingeführten Kontrollstäben verursacht häufig lokale Reaktorleistungsspitzen. Thermische Begrenzungen wie der Übergang oder die Abweichung von Kernsiedegrenzen werden auch nachteilig durch die teilweise Einführung von Kontrollstäben benachbart hochreaktivem Brennstoff beeinflusst.

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Kontrollstäbe, die benachbart von Brennstoff eingeführt werden, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält, neigen zur Abschrägung des Abbrandes des Absorbers und verursachen einen unerwünschten Raumübergang des abbrennbaren Absorbers der die lokale Leistungsspitze in dem Reaktor erhöht oder erfordert, dass der Brennstoff mit einer komplizierten Gestaltung des abbrennbaren Absorbers hergestellt wird.

Die Erfindung beruht auf der Trennung der Kontrollstabfunktionen in die Kontrolle der Leistungsform und Reaktivität sowie die Funktionen zum Abstellen des Reaktors durch Einbringen eines eine geringe Reaktivität aufweisenden oder speziell ausgelegten Brennstoffes in die Kontrollzellen, in die die Kontrollstäbe, die die Steuerung der Leistungsform und der Reaktivität vornehmen, im Leistungszustand des Kernes eingeführt werden.

Im anfänglichen Kern werden die Kontrollzellen mit Brennstoffeinheiten spezieller Auslegung versehen, die eine relativ geringe Anreicherung haben. Die Nichtkontrollzellen werden mit speziell ausgelegten Brennstoffeinheiten versehen, die eine relativ stärkere anfängliche Anreicherung haben und die während der nachfolgenden Nachladezyklen in den Kontrollzellen angeordnet werden können. In dem Masse, in dem der Reaktor hochgefahren und zur Nennleistung gebracht wird, werden die Kontrollstäbe der Nichtkontrollzellen im wesentlichen vollkommen herausgezogen und während des Betriebszyklus wird der Reaktor nur durch die Kon-trollstäbe der Kontrollzellen gesteuert. Es erfährt daher nur der speziell ausgelegte Brennstoff geringer Anreicherung der Kontrollzellen eine Bewegung eines benachbarten Kontrollstabes während des Zyklus. Auf diese Weise wird der Kernbetrieb stark vereinfacht und viele Probleme des Kontrollstabaustausches werden vermieden.

Am Ende eines Betriebszyklus wird der Reaktor für das Nachladen des Brennstoffes abgestellt und die Brennstoffeinheiten der Kontrollzellen werden normalerweise aus dem Reaktor herausgenommen oder in periphere Brennstoffeinheiten-Positionen des Reaktorkernes bewegt. Die bestrahlten Brennstoffeinheiten von ausserhalb der Kontrollzellen mit der geringsten Reaktivität werden in die Kontrollzellen eingeführt. Frische, d.h. unbestrahlte Brennstoffeinheiten werden ausserhalb der Kontrollzellen, d.h. in den Nichtkontrollzellen, weg von den Kontrollstäben, die bei der Nennleistung einzuführen sind, eingeschoben.

Der Brennstoff verbleibt für n-Betriebszyklen im Kern, wobei n üblicherweise gleich vier ist. Die Brennstoffeinheiten verbleiben in den Nichtkontrollzellen üblicherweise für n—lZyklen ihrer Aufenthaltszeit im Kern, obwohl sie innerhalb der Nichtkontrollzellen von einer Position zu einer anderen bewegt werden können. Während ihres letzten Zyklus der Aufenthaltszeit im Kern kommen sie in die Kontrollzellen und werden dann entweder aus dem Kern herausgenommen oder an die Kernperipherie bewegt. Für einige Anwendungen kann unbestrahlter speziell ausgelegter, eine hohe Zuverlässigkeit aufweisender Brennstoff relativ geringer Reaktivität, direkt in die Kontrollzellen in anderen als dem ersten Zyklus eingeführt werden, wo er dann für m-Zyklen verbleibt, wobei m gleich oder verschieden von n ist (der Zahl der Aufenthaltszyklen von Brennstoff von Nichtkontrollzellen). Eine solche Kernauslegung mit Trennung der Kontrollstabfunktion und bei der nur Brennstoff mit einer geringen Reaktivität benachbart den Kontrollstäben angeordnet wird, die die Steuerung der Leistungsform und Reaktivität als Funktion haben, wird als «Kontrollzellenkern» bezeichnet.

Die Kontrollstabblätter der Nichtkontrollzellen zum Abstellen des Reaktors werden im Leistungszustand herausgezogen und erleiden dadurch einen verminderten Abbrand und weniger Strahlungsschaden und -belastung. Diese Kontrollstabblätter haben daher eine längere Lebensdauer. Man kann daher teurere Kontrollmaterialien darin verwenden, insbesondere im oberen Teil davon, um ihre Fähigkeit zum kalten Abschalten des Reaktors zu maximalisieren und die Fähigkeit des Reaktors zum Brennstoffzyklusabbrand zu verbessern. Auch können die Antriebe der Kontrollstäbe der Nichtkontrollzellen relativ einfach und billig sein.

Da andererseits die in den Kontrollzellen angeordneten Kontrollstäbe nur etwa 'Â der Kontrollstäbe des Kernes ausmachen, können auch diese Kontrollstäbe und ihre Antriebe optimal gestaltet werden, da sie in erster Linie für die Steuerung der Leistungsform und der Abbrandreaktivität da sind. Eine solche Optimalisierung schliesst Feinbewegungsantriebe und Kontrollstabblätter mit grauen Spitzen ein. Beide Merkmale sorgen für eine graduellere Veränderung in der Leistung im benachbarten Brennstoff, wenn der Kontrollstab bewegt wird. Die Feinbewegungsantriebe, die teuer und komplex sind, können auf die Kontrollzellpositionen beschränkt werden. Auch kann man andere Kontrollblattmaterialien benutzen, die eine grössere Lebensdauer und ein günstigeres Neutronenabsorptionsspektrum mit sich bringen. So vermindern die eine lange Lebensdauer aufweisenden Hafnium-Kontrollmaterialien die Leistungsstörung der die Leistungsform steuernden Blätter und verlängern die Lebensdauer dieser Blätter.

Die Verbesserung der maximalen Leistungsfähigkeit des Kontrollzellenkernes wird durch geeignete Auslegung der Brennstoffeinheiten zur Einführung in die Kontrollzellen möglich, die üblicherweise für den letzten oder vorletzten Brennstoffzyklus vor der Herausnahme aus dem Kern erfolgt. Die optimalen Brennstoffeinheitauslegungen sind erwünscht, um die Kontrollgeschichtenwirkungen und die damit verbundene Periode des Brennstoffabbrandes zu schaffen, während der die Kontrollgeschichtenwirkungen stattfinden.

Für einen anfänglichen Kern werden die Brennstoffeinheiten, die in die Kontrollzellen kommen sollen, für diesen Zweck besonders ausgelegt. Auch die Auslegung der Brennstoffeinheiten, die während des ersten Nachladens in die Kontrollzellen bewegt werden sollen, ist verschieden von der Auslegung der Brennstoffeinheiten, di erst bei den nachfolgenden Nachladungen in die Kontrollzellen bewegt werden sollen. In anderen Worten, die Brennstoffeinheiten sind besonders ausgelegt in Abhängigkeit von ihrer Position im Kern und ihrer vorhergesehenen Aufenthaltszeit darin.

Brennstoffeinheiten zum Nachfüllen werden üblicherweise nicht vor ihrem dritten oder vierten Aufenthaltszyklus im Kern in die Kontrollzellen eingeführt und die Auslegung dieses Brennstoffes zum Nachladen mit abbrennbarem Absorber ist üblicherweise verschieden von der des Brennstoffes für den ursprünglichen Kern. Auch die Brennstoffeinheiten zum Nachladen können daher optimal ausgelegt werden, um maximalen Nutzen von der Trennung der Kontrollfunktionen der Kontrollstäbe zu haben.

Speziell ausgelegte Brennstoffeinheiten können in den Kontrollzellen verwendet werden, da bei vielen Anwendungen nur etwa die Hälfte des Brennstoffes während seines Aufenthaltes im Kern in den Kontrollzellen verbleibt.

Solche speziell ausgelegten Brennstoffeinheiten können in ihrem ersten, zweiten, dritten, vierten oder fünften Aufenthaltszyklus in die Kontrollzellen eingeführt werden und in einigen Fällen können sie für mehr als einen Zyklus in den Kontrollzellen verbleiben. Bei der üblichen optimalen Anwendung wird der Brennstoff jedoch nur für den letzten oder vorletzten Aufenthaltszyklus im Kern in den Kontrollzellen sein.

Herstellungskriterien erfordern, dass die Brennstoffelemente der Standardauslegung zur Herstellung der Brennstoffeinheiten benutzt werden und dass die Zahl unterschiedlicher Standardbrennstoffelemente möglichst gering gehalten wird.

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Die Brennstoffeinheiten werden daher so ausgelegt, dass sie gemeinsam so viele der Standardbrennstoffelemente enthalten wie möglich, und gleichzeitig die Auslegungs-, Leistungsund Sicherheitsziele erreichen.

Die anfängliche und gekoppelte Nachlade-Brennstoffein-heitauslegung für den Kontrollzellkern macht es möglich, diese Ziele zu erreichen, einschliesslich einer Verminderung der Zahl der Standardbrennstoffelementarten, die für die Herstellung der erforderlichen Brennstoffeinheiten genutzt werden muss.

Die einzigartigen Aspekte der Kontrollzellenkernausle-gung, die die Anordnung von Brennstoffeinheiten mit nicht erschöpftem abbrennbarem Absorber benachbart eingeführten Kontrollstäben im Leistungszustand des Reaktors vermeidet, macht es möglich, die Auslegung der Brennstoffelemente mit brennbarem Absorber in den Brennstoffeinheiten zu vereinfachen, indem die Zahl der verschiedenen axialen Zonen abbrennbaren Absorbers in diesen Brennstoffelementen vermindert wird.

Es können alternative Muster von Kontrollzellen benutzt werden in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen an den Kern und der Reaktorauslegung. Das Hauptkriterium ist, dass das Muster der Kontrollzellen eine maximale Kernsymmetrie schafft und dass ausreichend Kontrollzellen vorhanden sind, um leicht das Anfahren des Raktors, die Kontrolle der Leistungsform und der maximalen Überschussreaktivität und die Lastfolge des Verbrauchernetzes zu gestatten. Die Anzahl und die Positionen der Kontrollzellen können zu Beginn eines neuen Nachladezyklus revidiert werden, wenn dies Leistungs- und andere Vorteile mit sich bringt.

Die Trennung der Kontrollfunktionen und die einzigartige Kernauslegung macht die Anwendung der folgenden Grundkriterien möglich :

(1) Brennstoff, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält, wird bei merklicher Leistung nicht benachbart zu Kontrollstäben angeordnet,

(2) Brennstoff hoher Reaktivität wird im Gleichgewichtszustand bei Nennleistung nicht benachbart von Kontrollstäben angeordnet,

(3) Kontrollstabmusteränderungen und Kontrollstabbewegung werden innerhalb eines Nachladezyklus minimali-siert,

(4) Brennstoff, der grosse Delta-Leistungsänderungen erfährt aufgrund einer Bewegung des benachbarten Kontrollstabes, wird bei relativ geringer Leistung gehalten, wenn der Kontrollstab herausgezogen wird,

(5) die Reaktivität des Kontrollstabes zum kalten Abstellen des Reaktors wird in den Bereichen der höchsten Reaktivität maximalisiert und die Wirkungen des Kontrollstabab-brandes auf die Steuerung des kalten Abschaltens wird mini-malisiert, und

(6) die Störung der lokalen und globalen Leistung durch die Kontrollstäbe, die für die Leistungsformung bei Nennleistung benutzt werden, wird minimalisiert und die Lebensdauer der Kontrollstabblätter wird für die Kontrollstabblätter maximalisiert, die im Leistungszustand eine merkliche Neutronenbelastung ansammeln.

Die Anwendung dieser Prinzipien auf die Kontrollzellen-Kernauslegung resultiert in einem grösseren thermischen Spielraum, in erhöhten Kapazitätsfaktoren der Anlage, in einem einfacheren Reaktorbetrieb, in einer verminderten Wahrscheinlichkeit für Fehler durch das Betriebspersonal, in einer verbesserten Sicherheit, einer verbesserten Brennstoffzuverlässigkeit, einer verbesserten Brennstoffzykluswirtschaftlichkeit, in einer vereinfachten Brennstoffherstellung und einer verbesserten Lastfolgegeschwindigkeit und einem verbesserten Lastfolgebereich. Weiter vereinfacht die verminderte Zahl der Kontrollstabmustervariablen die Auslegung und erhöht die Möglichkeit zur Anwendung einer vollautomatischen direkten Leistungsformkontrolle.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit Wasser gekühlten und moderierten Kernreaktors, der Bestandteil eines dampferzeugenden Systems ist,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer Brennstoffzelle eines Reaktorkernes,

Fig. 3A eine schematische Draufsicht auf ein Viertel eines Reaktorkernes, die eine mögliche Anordnung der Kontrollzellen zeigt,

Fig. 3B eine schematische Draufsicht eines Viertels eines Reaktorkernes, die eine andere Anordnung der Kontrollzel-len zeigt,

Fig. 4A eine schematische Draufsicht, die die Anordnung von Kontrollzellen für einen anfänglichen Kern zeigt,

Fig. 4B-4F Anordnungen von Brennstoffeinheiten zur Verwendung im Kern nach Fig. 4A,

Fig. 4G beispielhafte Verteilungen von abbrennbaren Absorbern in den Brennstoffelementen,

Fig. 5 die Gruppenbezeichnungen der Kontrollstäbe der Kontrollzellen,

Fig. 6A-6C schematische Draufsichten, die das beispielhafte Nachfüllen neuen Brennstoffes in im Gleichgewicht befindlichen Kernanordnungen zeigen,

Fig. 7 eine beispielhafte Brennstoffeinheit zum Nachfüllen des Kernes mit Brennstoff,

Fig. 8 A beispielhafte Kontrollstabmuster zu verschiedenen Zeiten während des Betriebszyklus eines Reaktorkernes, Fig. 8B die lokale Leistungsveränderung in einer hochreaktiven Brennstoffeinheit in einem Kern nach dem Stand der Technik für verschiedene Positionen eines Kontrollstabes benachbart einer solchen Brennstoffeinheit,

Fig. 8C eine typische lokale Leistungsveränderung in einer Brennstoffeinheit in einer Kontrollzelle für verschiedene Positionen des Kontrollstabes in der Kontrollzelle, Fig. 8D eine typische lokale Leistungsveränderung in einer hochreaktiven Brennstoffeinheit in einer Nichtkontroll-zelle für verschiedene Positionen des Kontrollstabes in einer benachbarten Kontrollzelle,

Fig. 9A-9D einen beispielhaften Kontrollstab mit Antrieb zur Verwendung in den Kontrollzellen des Reaktorkernes und

Fig. 10 einen beispielhaften Kontrollstab mit Antrieb zur Verwendung in den Nichtkontrollzellen des Reaktorkernes.

Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, wird sie im folgenden in ihrer Anwendung auf einen mit Wasser gekühlten und moderierten Kernreaktor der Siedewasserart beschrieben, von der ein Beispiel in vereinfachter schemati-scher Form in Fig. 1 dargestellt ist. Ein solcher Reaktor weist ein Druckgefäss 10 auf, das den Kernreaktorkern 11 eingetaucht in einem Kühlmittel/Moderator, wie leichtem Wasser, enthält. Dieser Kern 11, der von einem Umhüllungsring 12 umgeben ist, weist eine Vielzahl austauschbarer Brennstoffeinheiten 13 auf, die im Abstand zueinander zwischen einem oberen Kerngitter 14 und einer unteren Kernplatte 16 angeordnet sind.

Eine Vielzahl von Kontrollstab-Antriebsgehäuserohren 17 enthält Kontrollstabantriebe, durch die eine Vielzahl von Kontrollstäben 18 selektiv zwischen die Brennstoffeinheiten 13 einführbar ist, um die Raktivität des Kernes zu kontrollieren bzw. zu steuern. Jedes der Gehäuserohre 17 ist mit einem Stützteil 19 für Brennstoffeinheiten versehen, wobei jedes der Stützteile 19 mit Fassungen zur Aufnahme der Nasenstücke 21 von vier benachbarten Brennstoffeinheiten ausgebildet ist. Die Nasenstücke 21 und die Stützteile 19 sind mit Kühlmitteldurchgängen oder -Öffnungen zur Verbindung mit einer Kühlmittelkammer 22 versehen. Eine Zirkulationspumpe 23

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für das Kühlmittel drückt dieses in die Kühlmittelvorratskammer 22, von der aus das Kühlmittel durch die Öffnungen in den Stützteilen 19 und in den Nasenstücken der Brennstoffeinheiten nach oben durch die Brennstoffeinheiten gedrückt wird. Ein Teil des Kühlmittels wird dabei in Dampf umgewandelt, der durch eine separate Trockner-Anordnung 24 zu einer Vorrichtung zur Nutzung des Dampfes, wie einer Turbine 26, gelangt. Das in einem Kondensator 27 gebildete Kondensat wird mittels einer Pumpe 28 als Speisewasser in den Behälter 10 zurückgeführt.

Jeder Kontrollstab 18 und die ihn umgebenden vier Brennstoffeinheiten bilden eine Brennstoffzelle des Kernes. Eine typische Brennstoffzelle 29 ist in Draufsicht in Fig. 2 gezeigt, in der die vier Brennstoffeinheiten 13(1) bis 13(4), die den Kontrollstab 18 umgeben, an ihren oberen Endstücken in einem oberen Kernstützgitter seitlich gehalten sind, wobei dieses Gitter durch einander schneidende und miteinander verriegelte Träger 30 und 32 gebildet ist. Jede der austauschbaren Brennstoffeinheiten 13 setzt sich aus einer Vielzahl langgestreckter Brennstoffelemente 34 zusammen, die im Abstand voneinander zwischen oberen und unteren (nicht dargestellten) Halterungsplatten abgestützt sind und die von einem rohrförmigen Strömungskanal 36 umgeben sind, der das Kühlmittel zwischen den Brennstoffelementen nach oben leitet. Eine detailliertere Darstellung einer solchen Brennstoffeinheit kann in der US-PS 3 689 358 gefunden werden.

Ein Kernreaktor der beschriebenen Art wird periodisch mit neuem Kernbrennstoff versehen, der in einen gewissen Teil des Kernes eingeführt wird. Üblicherweise betreibt man den Reaktor für 12 bis 18 Monate zwischen dem Einführen neuen Brennstoffes, was von der Brennstoffanreicherung, der Grösse der Brennstoffmenge zum Nachfüllen und den Versorgungsnetzanforderungen abhängt. Diese Betriebsintervalle zwischen dem Nachfüllen neuen Brennstoffes nennt man «Nachfüllzyklen».

Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Brennstoffzellen des Kernes in einem Muster von Kontroll- und Nichtkontrollzellen angeordnet, indem die Kontrollzellen durch mindestens eine Nichtkontrollzelle voneinander getrennt sind. Zwei Ausführungsformen solcher Muster sind in den Draufsichten symmetrischer Quadranten beispielhafter Kerne in den Fig. 3 A und 3B gezeigt, in denen die Brennstoffeinhei-ten der Kontrollzellen 38 mit «C» bezeichnet sind und die Brennstoffeinheiten der Nichtkontrollzellen 40 mit «N» gekennzeichnet sind. Beide Muster sind Vs Kern-symmetrisch mit einem anderen Muster von Kontrollzellen relativ zum Zentrum des Kernes (die Kernsymmetrie ist erwünscht, aber kein notwendiges Merkmal der hier beschriebenen Kontrollzellen-Kernanordnung). Die Kontrollzellen können zwischen den Nachladezyklen in der Zahl zu- oder abnehmen oder eine Veränderung von einem Muster zu einem anderen erfahren. So könnte z.B. das Muster der Fig. 3A während eines Nachladezyklus von 1 Jahr benutzt werden, während man für den folgenden Nachladezyklus von 1 Jahr das Kontrollzellenmu-ster der Fig. 3B benutzen könnte.

Die Peripherie des Kernes kann als spezieller Bereich angesehen werden, der z.B. durch steile Flussgradienten thermischer Neutronen charakterisiert ist. Um die Identifikation der Brennstoffeinheiten zu erleichtern, die vorteilhafterweise in diesem Bereich benutzt werden, bezeichnet man die für die Peripherie vorgesehenen Brennstoffeinheiten mit «P» und die Brennstoffeinheiten benachbart dazu mit «I».

Der besseren Übersichtlichkeit halber ist nur ein Viertel des Kernes gezeigt, doch gibt dies unter Annahme eines symmetrischen Kernes die gesamte Kernanordnung ausreichend wieder.

Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Kontrollzellen, die nachfolgend abgekürzt als C-Zellen 38 bezeichnet werden, mit einem Brennstoff relativ geringer Reaktivität versehen, während die Nichtkontrollzellen, die nachfolgend abgekürzt als N-Zellen 40 bezeichnet sind, mit einem Brennstoff relativ hoher Reaktivität versehen sind. So können z.B. in Abhängigkeit von den Anforderungen eines spezifischen Falles die C-Zellen eine Reaktivität zu Beginn eines Betriebszyklus haben, die äquivalent einer Frischbrennstoffanreiche-rung von etwa 0,711 bis 1,2 Gew.-% Spaltstoff ist, wobei ein typischer Wert für einen Kern am Anfang 0,924 Gew.-% Spaltstoff ist und die N-Zellen können eine Reaktivität haben, die äquivalent ist einer Frischbrennstoffanreicherung von etwa 1,6 bis 2,7 Gew.-% oder einen Durchschnittswert in der Grössenordnung von 2,15 Gew.-%. Das Verhältnis des spaltbaren Materials in den N-Zellen zu dem in den C-Zellen hat im allgemeinen einen Maximalwert in Übereinstimmung mit den Beschränkungen der Kernanordnung, des Betriebes und des Brennstoffzyklus.

Die peripheren Brennstoffeinheiten P sind vorteilhafterweise mit einem Brennstoff geringer Reaktivität versehen, z.B. einem, der äquivalent ist, einer Frischbrennstoffanreicherung von natürlichem Uran (0,711 Gew.-%), während die benachbarten Zwischenbrennstoffeinheiten I mit einem hochreaktiven Brennstoff versehen sind, z.B. einem äquivalent einer Frischbrennstoffanreicherung von etwa 3 Gew.-% Spaltstoff. Die Verwendung der Kombination von peripherem Brennstoff geringer Reaktivität und Brennstoff hoher Reaktivität benachbart dazu bringt das Entweichen von Neutronen aus dem Kern zu einem Minimalwert und flacht die radiale Energieverteilung des Kernes ab und verbessert den Spielraum bezüglich der Grenzen der thermischen Leistungsfähigkeit.

Beim Hochfahren des Reaktors werden bei den so gemäss der Erfindung angeordneten Fällen die Kontrollstäbe aus den N-Zellen und um die Peripherie herum aus dem Kern herausgezogen und während des Betriebszyklus werden nur noch die Kontrollstäbe der C-Zellen zum Steuern des Energieniveaus und der Energieverteilung benutzt. Die Betriebsstrategie für die Kontrollstäbe der C-Zellen hängt, neben anderen Dingen, von der Reaktivitätsverteilung des Brennstoffes in den benachbarten N-Zellen ab. Beispielhafte Betriebsstrategien für die Kontrollstäbe der C-Zellen während eines Betriebszyklus werden noch näher beschrieben. Eine allgemeine Strategie des Reaktorbetriebes ist von R.L. Crowther in einem Papier mit dem Titel «Burnup Analysis of Large Boi-ling Water Reactors», Proceedings of IAEA Panel, Wien 1967, International Atomic Energy Agency (1968) beschrieben worden. Der darin erläuterte Zustand gleicher Abbrennenergie am Ende des Zyklus (im englischen: «equal burnup-power end-of-cycle state») wird als die «Haling-Verteilung» bezeichnet.

Nachdem ein Reaktorkern für eine ausreichende Zahl sich gleichmässig wiederholender Betriebszyklen eingesetzt worden ist, neigt er dazu, ein «Gleichgewicht» hinsichtlich der Zahl der Anreicherung der Austausch-Brennstoffeinheiten und ihrer Verteilung im Kern zu erreichen. Einen solchen Kern kann man daher als Gleichgewichtskern bezeichnen und die Betriebszyklen davon als Gleichgewichtszyklen. Üblicherweise wird ein Gleichgewichtskern etwa jährlich mit frischem Brennstoff versehen, wobei der Ersatz bei etwa lA der Brennstoffeinheiten erfolgt. Eine Brennstoffeinheit für einen Gleichgewichtskern bleibt also etwa vier Jahre im Kern bei einer typischen Bestrahlung in der Grössenordnung von 26 000 Megawatt-Tagen pro Standard-Tonne.

In einem Gleichgewichtskern werden die Brennstoffeinheiten mit dem stärksten Abbrand oder der geringsten Reaktivität der N-Zellen für den letzten Aufenthaltszyklus dieser Einheiten im Kern in den C-Zellen benutzt. Der N-Zellen-brennstoff ist dabei besonders zusammengestellt, um seine Anordnung während des letzten Zyklus in den C-Zellen zu

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gestatten und einen maximalen thermischen Spielraum und eine maximale Brennstoffzuverlässigkeit zu schaffen. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden spezielle Brennstoffeinheiten in die C-Zellen eingeführt entweder als frischer Brennstoff oder nach dem Aufenthalt in einigen der N-Zellen für eine bis drei Nachladezyklen.

Beim praktischen Betrieb erreicht ein Reaktor nur selten ein wahres «Gleichgewicht». Die praktische Reaktorkernanordnung erfordert daher die Möglichkeit der Einstellung der Reaktivität, der Menge des Nachladebrennstoffes, der Kontrollstabmuster und der Reaktorbetriebsweise, um sich an die realistischen Variationen in den Reaktorbetriebsbedingungen anzupassen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass man eine sich wiederholende Reihe von Kontrollzellen und Nichtkontrollzellen in den zentralen Teilen des Reaktorkernes aufrechterhält sowie eine periphere Zone geringer Reaktivität, um den Neutronen Verlust aus dem Kern minimal zu halten, sowie eine Zwischenzone zwischen den zentralen und peripheren Zonen, die in der Zahl der Brennstoffeinheiten und ihrem Volumen variieren kann.

Die Zahl der C-Zellen kann daher von einem Nachladezyklus zum anderen variieren. Eine zusätzliche Flexibilität wird durch die Möglichkeit geschaffen, mit mehr als einer Art von Brennstoffeinheit nachzuladen. Die während des Nachladens eingeführten Brennstoffeinheiten können hinsichtlich der Art, der durchschnittlichen Anreicherung, des Gehaltes an brennbarem Absorber oder anderen Aufbaueigenschaften variieren und sie können auch aus Brennstoff bestehen, der von einem früheren Nachladen stammt.

In einem neuen Reaktor, den man gerade angeschaltet hat, ist jedoch üblicherweise der gesamte Brennstoff des Kernes frisch. Die Brennstoffeinheiten zur Verwendung in einem solchen neuen Kern können daher so aufgebaut und angeordnet werden, dass sie einen Gleichgewichtskern simulieren, wodurch der Übergang vom anfänglichen zum Gleichgewichtskern erleichtert wird.

Im folgenden wird die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf den anfänglichen und Übergangszyklusbetrieb des Reaktors beschrieben.

Die Fig. 4A-4G veranschaulichen eine beispielhafte Kernkonfiguration und beispielhafte Brennstoffeinheiten zur Verwendung darin in einem anfänglichen Kern.

Die anfängliche Kernkonfiguration, wie sie in Fig. 4A veranschaulicht ist, benutzt verschiedene Arten von Brennstoffeinheiten, nämlich Ci, Na, Nb, Ii und P;, die einzeln in den Fig. 4B-4F dargestellt sind. In den Fig. 4B-4F sind die mit einem W gekennzeichneten Brennstoffelementpositionen durch Rohre ohne Brennstoff eingenommen, die oben und unten Öffnungen haben, durch die der Wassermoderator strömt, wie z.B. in der US-PS 3 802 995 beschrieben. In den Fig. 4C, 4D und 4E enthalten die Brennstoffelemente, die mit BA bezeichnet sind, einen abbrennbaren Absorber, wie Gadolinium, im Gemisch mit Teilen des Brennstoffmaterials. Eine beispielhaft axiale Verteilung eines solchen abbrennbaren Absorbers ist in der Fig. 4G gezeigt. Solche einfachen Anordnungen abbrennbaren Absorbers sind im Kern mit Kontrollzellen und dessen Betrieb gemäss der Erfindung möglich, weil in solchen Anordnungen die Kontrollstäbe bei Leistung nicht benachbart von Brennstoffeinheiten eingesetzt werden, die beträchtliche Mengen unabgebrannten abbrennbaren Absorbers enthalten. Auf diese Weise werden die durch die Kontrollstäbe und ihre Wechselwirkung mit dem Abbrennen abbrennbaren Absorbers verursachten Störungen der Leistungsverteilung vermieden. Wie in den Fig. 4C und 4D ersichtlich, können gewisse der Brennstoffelemente in Abhängigkeit von den Anforderungen des besonderen Kernes und der Position der Brennstoffeinheit im Kern abbrennbaren Absorber enthalten oder nicht.

Die Brennstoffeinheiten Ci, Na, Nb, Ii und Pj sind in der Konfiguration der Fig. 4A in einer Weise angeordnet, dass die volle Leistungsfähigkeit des Kernes durch den anfänglichen Betriebszyklus maximiert wird, während gleichzeitig die Sicherheitsbeschränkungen eingehalten werden. Die periphere Zone, etwa '/s des Kernvolumens, ist mit den gering angereicherten Einheiten P; (vergleiche Fig. 4F) ausgestattet, um das Entweichen von Neutronen aus dem Kern minimal zu halten. Die hochangereicherten Brennstoffeinheiten Ij (vergleiche Fig. 4E), die benachbart den peripheren Einheiten angeordnet sind, unterstützen das Abflachen der radialen Leistungsverteilung des Kernes, um eine verbesserte thermische Leistung zu erhalten.

Die Brennstoffeinheiten Q (vergleiche Fig. 4B) sind zur Verwendung in den C-Zellen während des anfänglichen Betriebszyklus ausgelegt. Zusätzlich zur geringen Durchschnittsanreicherung ist die Anreicherungsverteilung der Brennstoffelemente der Einheit so konstruiert, dass die Brennstoffelemente der geringsten Anreicherung in den Stellen am nächsten zum benachbarten Kontrollstab sitzen. Die Verteilung der Brennstoffelemente ist optimalisiert, um eine Anpassung an lange Perioden des Leistungsbetriebes zu erhalten, wobei der Kontrollstab benachbart dem Brennstoff eingeführt ist. Diese Anordnung gestattet der Einheit die Anpassung an die erforderlichen langen Perioden benachbart dem eingeführten Kontrollstab, gefolgt von einem nachfolgenden Herausziehen des Kontrollstabes und der damit verbundenen lokalen Leistungsspitze aufgrund der Geschichte früherer Kontrollstabeinführung. Die Brennstoffeinheit Q kann auch als Alternative für die Brennstoffeinheit Pj in den peripheren Orten des Kernes benutzt werden.

Die Brennstoffeinheiten Na, Nb und Ii sind für den anfänglichen Aufenthalt in den N-Zellen und eventuelle Verwendung in den C-Zellen ausgelegt, nachdem sie ausreichend bestrahlt worden sind. So können z.B. die Brennstoffeinheiten Na in die C-Zellen für den zweiten Zyklus, die Einheiten Nb für den dritten Zyklus und die Einheiten I; für den vierten Zyklus eingeführt werden. Zu den Auslegungsmerkmalen dieser Einheiten, die eine solche Verwendung gestatten, gehört die einzigartige Verteilung der Brennstoffanreicherung, die den Betrieb während des letzten Zyklus gestattet, wobei die Kontrollstäbe für lange Betriebsperioden eingeführt sind.

In einem alternativen Schema werden neue, noch nicht bestrahlte Brennstoffeinheiten Q bei jedem Nachladezyklus in die Kontrollzellen eingeführt. Die Brennstoffelemente dieser Einheiten können mit speziellem Schutz vor den grossen Delta-Leistungen versehen werden, die bei der benachbarten Kontrollstabblattbewegung auftreten, wobei für diesen Schutz plattierte Sperren benutzt werden, wie sie in der US-PS 3 925 151 beschrieben sind.

In einem alternativen Schema werden neue, noch nicht bestrahlte Brennstoffeinheiten Ci bei jedem Nachladezyklus in die Kontrollzellen eingeführt. Die Brennstoffelemente dieser Einheiten können mit speziellem Schutz vor den grossen Delta-Leistungen versehen werden, die bei der benachbarten Kontrollstabblattbewegung auftreten, wobei für diesen Schutz plattierte Sperren benutzt werden, wie sie in der US-PS 3 925 151 beschrieben sind.

Der Betrieb des Kernes mit den Kontrollzellen schliesst das Herausziehen aller Kontrollstäbe mit Ausnahme der aus den C-Zellen ein, wenn der Reaktor auf Leistung hochgefahren wird. Der Betrieb im Leistungszustand wird dann durch die Kontrollstäbe der C-Zellen gesteuert. Die Betriebsstrategie der C-Zellenkontrollstäbe kann sehr einfach sein, insbesondere verglichen mit den Betriebsstrategien der Kontrollstäbe nach dem Stande der Technik.

Das einzigartige Muster der Brennstoffeinheiten, das in Fig. 4A gezeigt ist, gestattet auch ein leichtes Anfahren des

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Reaktors und eine Flexibilität beim Betrieb. Die Brennstoffeinheiten Na mit der nächst niedrigen Reaktivität (vergleiche Fig. 4C) sind in Vs Kern-symmetrischen alternativen Kontroll-zellenpositionen angeordnet. Während des Anfahrens werden die Kontrollstäbe an den Na-Positionen dazu benutzt, teilweise die Dampfblase, die Doppler- und Xenon-Reaktivität zu steuern und sie sind die letzte Gruppe von Kontrollstäben, die herausgezogen wird, bevor man nur noch die Kontrollstäbe in den Q-Positionen benutzt, um den Kernbetrieb zu steuern. Dies minimalisiert die lokale Leistung jenseits der Spitzen der Kontrollblätter, die bei geringer Reaktorleistung bewegt werden und erleichtert ausserdem ein rasches und zuverlässiges Anfahren des Reaktors.

Während des folgenden Nachladezyklus kann die Position der Kontrollzellen C, in die Na-Positionen verändert werden mit Brennstoffeinheiten der Q-Positionen, welche aus dem Reaktorkern herausgenommen oder zu den peripheren Positionen Pj überführt sind, die Brennstoffeinheiten in den Nb-Positionen können dann zu den Q-Positionen bewegt und die frischen Brennstoffeinheiten in die so frei gewordenen Nb-Positionen eingeführt werden.

Beim nächstfolgenden Nachladezyklus kehren die Kontrollzellen in die in Fig. 4A gezeigten Cj-Positionen zurück. Dieser gekoppelte Nachlade- und Betriebsplan reduziert die Zahl der Brennstoffeinheiten, die während eines Nachladens bewegt werden muss. Weiter unten wird ein integrierter Gleichgewichtsnachladeplan unter Anwendung einer ähnlichen Strategie näher erläutert.

Es wird eine beispielhafte Betriebsstrategie eines Kontrollstabes einer C-Zelle mit Bezug auf Fig. 5 erläutert, die die Kontrollstäbe der C-Zellen veranschaulicht, die als Teile von acht Gruppen davon bezeichnet sind.

Unter Benutzung der Gruppenbezeichnungen der Fig. 5 ist eine typische Auswahl des Kontrollstabmusters der C-Zel-len während des Zyklus folgendermassen:

(1) Die Kontrollstäbe der Gruppen 1,2 und 8 werden bis zu relativ tiefen Stellungen eingeführt. Sie werden benutzt, die Reaktivitätsänderungen während des Zyklus zu kompensieren, bis etwa Vi ihrer Länge aus dem Kern herausgezogen ist. Dann werden sie vollkommen aus dem Kern herausgezogen.

(2) Die Kontrollstäbe der Gruppe 3 werden zu einer Zwischenposition mit Bezug auf die Stäbe der vorgenannten Gruppen eingeführt, um den Kern kritisch zu machen, wobei die radiale Bruttoleistungsverteilung des Kernes eine Spitze auf das Zentrum des Kernes zu aufweist und diese zentrale Spitze mindestens gleich der oben erwähnten Haling-Abbrennverteilung ist.

(3) Die Kontrollstäbe der Gruppe 7 werden von flachen bis zu tiefen Positionen eingeführt und sie dienen einer Doppelrolle. Sie werden benutzt, die radiale Leistungsverteilung des Kernes während der Teile des Zyklus zu gestalten, in denen die Kontrollstäbe der Gruppe 1 und 2 tief eingeführt sind. Ausserdem sorgen sie für die axiale Leistungsgestaltung, die erforderlich ist, eine annehmbar begrenzte Leistungsdichte in den den peripheren Baueinheiten benachbarten hochreaktiven Brennstoffeinheiten aufrechtzuerhalten. Weiter sind die Kontrollstäbe der Gruppe 7 während Lastfolge-, Anfahr- und anderen Betriebszuständen, die Flexibilität des Betriebes erfordern, tief eingeführt, so dass aufgrund eines teilweisen Herausziehens dieser Kontrollstäbe der Gruppe 7 die lokale Leistungsdichte in dem dem Blattspitzen abliegenden Brennstoff geringer ist als die Grenzleistung der Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung und daher können diese Kontrollstäbe bei der Nennleistung aus ihren tiefen Positionen herausgezogen werden.

(4) Die Kontrollstäbe der Gruppen 4 und 5 werden nur für die axiale Leistungsgestaltung während des Teiles des

Zyklus benutzt, in dem die Kontrollstäbe der Gruppen 1,2 und 8 eingeführt sind. Während dieser Zeit werden sie nur soweit eingeführt, wie es erforderlich ist, die annehmbaren Leistungsdichten-Spielräume in den benachbarten hochreaktiven Brennstoffeinheiten aufrechtzuerhalten. Sind die Kontrollstäbe der Gruppen 1,2 und 8 vollkommen herausgezogen, dann sind die Kontrollstäbe der Gruppen 4 und 5 eingeführt, um die Rolle der Reaktivitätskontrolle für den Rest des Zyklus zu übernehmen. Dieser Austausch der Kontrollstäbe der Gruppen 1,2 und 8 mit den Kontrollstäben der Gruppen 4 und 5 wird manchmal vorgenommen, um die Spitzenleistungsdichte in den C-Zellenbrennstoffeinheiten auf einem Minimalwert zu halten. Da die Brennstoffeinheiten der C-Zellen in den Zellen der Gruppen 4 und 5 zum Zeitpunkt des Austausches oberhalb ihrer Mittelebene nicht mit einem Kontrollstab in Berührung gekommen sind, haben sie eine geringere lokale Leistungsspitze, als die Brennstoffeinheiten der Kontrollzellen der Gruppen 1, 2 und 8, wenn der Austausch nicht stattgefunden hätte.

(5) Schliesslich werden die Kontrollstäbe der Gruppe 6 nur soweit eingeführt, wie es erforderlich ist, um eine annehmbare Leistungsdichte in den hochreaktiven Brennstoffeinheiten aufrechtzuerhalten oder eine Tiefensteuerung und eine Betriebsflexibilität bei voller Leistung ähnlich der Anwendung der Kontrollstäbe der Gruppe 7 zu liefern.

Am Ende eines Betriebszyklus wird der Reaktor zum Nachfüllen von Brennstoff abgestellt. Normalerweise werden die peripheren Einheiten aus dem Kern herausgenommen. Die Brennstoffeinheiten der C-Zellen werden aus diesen und aus dem Kern herausgenommen oder in einigen Fällen können diese Brennstoffeinheiten in die Positionen der peripheren Einheiten gebracht werden, um dort noch für einen weiteren Betriebszyklus im Kern zu verbleiben. Die C-Zellen werden mit den Brennstoffeinheiten der N-Zellen versehen, die den stärksten Abbrand und die geringste Reaktivität haben. Es können auch stark abgebrannte Brennstoffeinheiten aus den N-Zellen in die peripheren Brennstoffeinheit-Positionen überführt werden. Frische Brennstoffeinheiten werden in die N-Zellen eingeführt, vorzugsweise in einer verteilten Weise, wobei diese frischen Brennstoffeinheiten eine Anreicherung aufweisen, die geeignet ist, die erforderliche Reaktivität während des nächsten Betriebszyklus zur Verfügung zu stellen.

Eine beispielhafte Konfiguration eines nachgeladenen Kernes gemäss der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 6A gezeigt, in der die unten angebrachten Zahlen 0 bis 3 die Zahl der Zyklen angeben, während der Brennstoff zum Zeitpunkt dieses Nachladens bereits bestrahlt worden ist.

Ein alternatives Muster, das eine ähnliche Verteilung der Reaktivität wie der anfängliche Kern der Fig. 4A liefert, ist in Fig. 6B gezeigt. Der Brennstoff für den fünften Zyklus an der Peripherie (Pi-Positionen) ist üblicherweise peripherer Brennstoff des vierten Zyklus aus einem früheren Zyklus, kann aber auch Brennstoff sein, der aus Kontrollzellpositionen dorthin bewegt worden ist. Dieses Muster kann beim Gleichgewicht wiederholt werden, indem man die P4-, C3- und/oder Pi-Brennstoffeinheiten aus dem Kern herausnimmt, die N2-und/oder C.i-Brennstoffeinheiten in die P-Positionen bewegt, die N2-Brennstoffeinheiten in die C3-Positionen bewegt, die Ni-Brennstoffeinheiten in die früheren Ni-Positionen bewegt und frischen Brennstoff in die nun frei gewordenen Ni-Posi-tionen einführt.

Fig. 6C veranschaulicht ein anderes Lademuster ähnlich dem der Fig. 6D mit der Ausnahme, dass die Kontrollzellen mit Bezug auf das Zentrum des Kernes in verschiedenen Stellungen angeordnet sind, ähnlich wie bei der Kernanordnung der Fig. 3B. Die Kontrollzellen der Anordnung der Fig. 6C befinden sich in den gleichen Positionen wie Zellen des Ni-Brennstoffes in der Anordnung der Fig. 6B.

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Da die N2-Brennstoffeinheiten dafür eingeteilt sind, während ihres letzten Zyklus in den Kontrollzellen benutzt zu werden, kann die Zahl der Brennstoffeinheiten, die während des Nachladens bewegt werden muss, auf einem Minimalwert gehalten werden, indem man von dem Kontrollzellmuster der Fig. 6B bei einem Nachladezyklus zu dem Muster der Fig. 6C beim folgenden Nachladezyklus, zu dem Muster der Fig. 6B bei dem danach folgenden Nachladezyklus usw. wechselt. Diese Alternative breitet die Verwendung und den Abbrand der Kontrollstabblätter über eine grössere Zahl von Kontrollstäben aus und erfordert etwa die doppelte Zahl an eine Spe-zialfunktion ausübenden lange gebrauchsfähigen Kontrollstä-ben für die Leistungsgestaltung und ihre Reaktivitätskontrolle innerhalb der Kontrollzellen.

Ein Beispiel einer Nachlade-Brennstoffeinheit zur Verwendung als der frische Brennstoff No in der Kernanordnung der Fig. 5, 6A und 6C ist in Fig. 7 gezeigt. Bemerkenswert bei dieser Auslegung sind die eine relativ geringe Anreicherung aufweisenden Brennstoffelemente in der Kontrollstabecke der Einheit, was die Auswirkungen der Kontrollstabgeschichte minimal hält und die Verwendung der Baueinheit in den C-Zellenpositionen gestattet, nachdem sie in den N-Zellen bestrahlt worden ist.

Spezielle Brennstoffelemente können in den Brennstoff-element-Positionen innerhalb der Brennstoffeinheiten für das Nachladen oder dem anfänglichen Reaktorkern benutzt werden, die aufgrund von Leistungsänderungen oder einer Wechselwirkung zwischen Brennstoffpellet und Umhüllung einer Beschädigung am meisten unterliegen, z.B. in den Positionen 3,4, 5 und 7 der Nachlade-Brennstoffeinheit der Fig. 7. Solche speziellen Brennstoffelemente können mit schützenden Umhüllungssperren hergestellt werden, wie einer Schicht aus Kupfer oder reinem Zirkonium, die die Umhüllung vor dem Angriff der Spaltprodukte schützt. Solche beschädigungsbeständigen Brennstoffelemente können auch ringförmige Brennstoffpellets und/oder Brennstoffpellets enthalten, die einen zusätzlichen Weichmacher aufweisen.

Die Baueinheiten können eine grössere oder geringere Menge abbrennbaren Absorbers enthalten in Abhängigkeit von den Kernanforderungen und der Position der jeweiligen Baueinheit im Kern.

Ein Beispiel des Kontrollstabmusters der C-Zellen bei verschiedenen Bestrahlungen E während eines Betriebszyklus des Gleichgewichtskernes der Fig. 6A ist in Fig. 8A gezeigt. Die Kontrollstäbe werden in Gruppen betrieben und die Gruppenbezeichnungen 1 bis 8 sind die gleichen wie in Fig. 5. Die Zahlen in den Quadraten, die die C-Zellen repräsentieren, zeigen die prozentuale Einführung der Kontrollstäbe der Zellen an. Hundert bedeutet somit, der Kontrollstab ist vollkommen eingeführt und 0 bedeutet, er ist vollkommen herausgezogen.

Ausserhalb der Kontrollzellen werden keine Kontrollstäbe beim Betrieb hoher Leistung benutzt und die Bewegung der Kontrollstäbe der Kontrollzellen ist während des Reaktorbetriebes auf einem Minimal wert gehalten.

Die Fig. 8B veranschaulicht die relative Leistung benachbart einem Kontrollstab als Funktion der Kontrollstabposition des vom Boden aus eingeführten Kontrollstabes für einen Kern der konventionellen Auslegung und des konventionellen Betriebes. Diese Figur veranschaulicht die Wirkungen der verminderten Dampfblaseninjektion in den oberen Teil des Kernes mit der sich daraus ergebenden Leistungserzeugung mit hohen Spitzen, obwohl der Kontrollstab in den Boden des Kernes eingeführt ist.

Die Fig. 8C zeigt ähnliche Kurven der relativen Leistung gegen die Kontrollstabposition für einen Kern der Auslegung und des Betriebes gemäss dem Kontrollzellenkernkonzept der vorliegenden Erfindung. Es ist zu bemerken, dass, verglichen mit dem üblichen Kern der Fig. 8B, die Spitzenleistung benachbart dem Kontrollstabblatt beträchtlich verringert ist. Es ist schwieriger in dem Kern eine hohe oder tiefe Leistungsspitze zu erreichen, die Kontrollstabblätter können tiefer in den Kern eingeführt werden, ohne Leistungsspitzen zu erhöhen und die vollkommen herausgezogene Position des Kontrollstabblattes führt zu einer Abnahme der Leistung über etwa die oberen 80% des Brennstoffes.

Fig. 8D zeigt die Wirkungen der Kontrollstabbewegung innerhalb der Kontrollzellen gemäss der Erfindung auf den hochreaktiven Brennstoff in den Nichtkontrollzellen. Verglichen mit der Leistungsverteilung beim hochreaktiven Brennstoff der konventionellen Auslegung (Fig. 8B) ist die Veränderung der Leistung (kilowatt/foot) während der Kontrollblattbewegung geringer, die Kontrolle über die axiale Leistungsspitze dieses Brennstoffes aufgrund partiellen Ein-schubs des Kontrollzellenblattes ist besser, es gibt einen glatteren Übergang von einem Kontrollstabzustand zum anderen, die Leistungszunahme im Oberteil des Kernes ist sehr viel geringer und die lokale Leistungsspitze des Reaktors ist vermindert.

Mit dem Kontrollzellen-Betriebsmodus nach der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, Kontrollstabblätter durch den Boden etwa 17°o in den Kern einzuschieben, ohne dass eine merkliche Zunahme der Spitzenleistung in dem Brennstoff der Kontrollzellen oder dem hochreaktiven Brennstoff ausserhalb der Kontrollzellen, d.h. in den Nichtkontrollzellen, auftritt. Der Einschub der Kontrollstabblätter der Kontrollzellen in zentrale Kernpositionen reduziert die Spitzenleistung des Brennstoffes in den benachbarten Nichtkontrollzellen deutlich. Diese Trends können dazu benutzt werden, optimalere Leistungsverteilungen mit dem Kern mit Kontrollzellen zu erhalten, als dies mit den bekannten Kontrollmethoden möglich war.

Ein wichtiges Merkmal des Kontrollzellenkernes nach der vorliegenden Erfindung ist die Trennung der Funktionen der Kontrollstäbe der C-Zellen und der N-Zellen. Die Kontrollstäbe der C-Zellen, die für die Kontrolle des Leistungsniveaus und der Leistungsverteilung des Kernes benutzt werden, umfassen nur etwa ein Viertel der Kontrollstäbe. Der Rest der Kontrollstäbe, die sich ausserhalb der C-Zellen befinden, haben das Abstellen des Reaktors als Hauptfunktion. Diese Trennung der Funktionen und die Minimalisierung der Zahl der Kontrollstäbe, die für die Leistungskontrolle des Kernes benutzt wird, macht die Anpassung der Auslegung der Kontrollstäbe und ihrer Antriebe zur Ausführung der jeweiligen Funktion in einer Weise möglich, die nicht praktisch wäre, wo alle Kontrollstäbe und deren Antriebe der Doppelfunktion der Leistungsverteilung und dem Abstellen des Reaktors dienen müssen.

So ist es z.B. erwünscht, dass die Kontrollstäbe der C-Zellen eine lange Lebensdauer haben und dass sie nur eine graduelle, nicht aber eine abrupte Veränderung in der lokalen Leistung des benachbarten Brennstoffes verursachen, wenn sie bewegt werden. Ein beispielhafter Kontrollstab 181'und ein Antrieb 171 dafür, die zur Verwendung in C-Zellen geeignet sind, sind in den Fig. 9A bis 9D gezeigt.

Der Kontrollstab 181 ist aus einem oberen Gusskörper 42 gebildet, der mit einem Handgriff 44 ausgebildet ist und der durch einen kreuzförmigen Zentralpfosten 48 mit einem unteren Gusskörper 46 verbunden ist. Der untere Gusskörper 46 ist mit einem Geschwindigkeitsbegrenzer 50, Führungsrollen 52 und einer Kupplungsfassung 54 zur Befestigung am Antrieb 171 ausgebildet. Der obere Gusskörper 42 ist ebenfalls mit Führungsrollen 55 versehen, durch die der Kontrollstab 181 seitlich zwischen den Brennstoffeinheiten abgestützt wird.

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unteren Gusskörper 42 bzw. 46 sind U-förmige Hüllen angebracht, um die vier Blätter 56(1) bis 56(4) des Kontrollstabes zu bilden. Innerhalb jedes der Blätter ist eine Vielzahl von Neutronenabsorberstäben 58 angeordnet. Ein typischer Absorberstab, wie er in der Fig. 9B gezeigt ist, ist aus einem abgedichteten Rohr 60 gebildet, der ein geeignetes Neutro-nenabsorbermaterial enthält, z.B. in Form von natürlichem Borkarbid (B4C)-Pulver 62. Die Säule aus Pulver 62 ist durch eine Reihe im Abstand voneinander angeordneter Kugeln 64 in Segmente unterteilt, wobei die Kugeln durch auf dem Umfang der Wand des Rohres 60 angeordnete Einbuchtungen 66 in ihrer Bewegung eingeschränkt sind. Diese Anordnung hilft das Auftreten von Hohlräumen in der Pulversäule 62 zu vermeiden und verhindert auch den Verlust des gesamten Pulvers aus dem Rohr, für den Fall, dass ein Bruch in einem Teil davon auftritt.

Die Kontrollstäbe, die in den Kontrollzellen angeordnet sind, sollen eine minimale Einwirkung auf den benachbarten Brennstoff haben und daher die lokale Leistungsveränderung minimalisieren, wenn das Kontrollstabblatt herausgezogen wird. Dies wird zu einem gewissen Masse dadurch ermöglicht, dass man das Kontrollstabblatt mit einer sogenannten «grauen Spitze» versieht, die sowohl den Wassermoderator verdrängt als auch weniger Neutronen absorbiert, als die ansonsten im Kontrollstabblatt vorhandenen stärkeren Kontrollmaterialien.

Die Kontrollstabblätter, die in den Kontrollzellen angeordnet sind, sollen eine lange Lebensdauer haben. Die Spitzen und Kanten der Flügel der Kontrollstabblätter absorbieren die maximale Zahl von Neutronen und begrenzen so die Lebensdauer des Kontrollstabblattes. Die selektive Verwendung eines Materials langer Lebensdauer, das keine gasförmigen oder in anderer Weise beschädigenden Reaktionsprodukte aufgrund des Neutroneneinfanges in den Bereichen hohen Neutroneneinfanges der Kontrollstabblätter erzeugt, verlängert die Lebensdauer des Kontrollstabblattes.

Merkmale, die den Kontrollstab 181 zur Verwendung in den C-Zellen anpassen, sind die folgenden:

Der Kontrollstab 181 kann auf verschiedene Weise mit einer langen Lebensdauer oder «einer grauen Spitze» ausgebildet werden. Unter «graue Spitze» wird verstanden, dass die Kontrollstärke graduell von der Spitze oder dem Endstück mit dem Handgriff aus zunimmt. Wie in Fig. 9A gezeigt, ist der Handgriff 44 weiter und länger als üblich ausgebildet und er besteht z.B. aus korrosionsbeständigem Stahl, der zwar ein Neutronenabsorber ist, aber eine sehr viel geringere Kontrollstärke hat als Bor. Der vergrösserte Handgriff 44 verdrängt daher Wasser und sorgt für einen Übergang der Kontrollstärke von der Spitze zum Hauptkörper des Kontrollstabes.

Eine andere Art der Schaffung einer grauen Spitze und eines langlebigen Kontrollstabes 181 ist in Fig. 9C gezeigt. Hierbei füllt man die Rohre 60 der Absorberstäbe 58 der Kontrollstabblätter 56(1) bis 56(4) mit dem Absorbermaterial 62 fortschreitend weniger hoch in Richtung auf die Aussenkanten der Blätter.

Eine weitere Anordnung, die sowohl die Wirkung einer grauen Spitze hat als auch eine längere Lebenszeit für das Kontrollstabblatt mit sich bringt, ist in Fig. 9D gezeigt. Bei dieser Anordnung ersetzt ein geeignetes Neutronenabsorber-

material, wie Hafnium, das Bor im oberen Vierundzwanzigstel bis Viertel der Länge des inneren Absorberstabes und in der ganzen Länge eines oder mehrerer der äusseren Absorberstäbe 58. Wegen der steilen Neutronenflussgradienten in einem Kontrollstabblatt haben die Spitzen und die äusseren Absorberstäbe den höchsten einfallenden Neutronenfluss, die grösste Neutroneneinfangrate und daher die kürzeste Lebensdauer. Hafnium in diesen Positionen ergibt eine längere Lebensdauer als B4C, weil Hafnium keine beschädigenden Reaktionsprodukte einschliesslich Gasen erzeugt, wie das bei B4C der Fall ist.

Auch ist Hafnium ein weniger starkes Absorptionsmittel für thermische Neutronen als B4C, doch ist es ein starker Absorber epithermischer Neutronen. Es absorbiert daher weniger thermische Neutronen, tritt aber hinsichtlich der epithermischen Neutronen in einen stärkeren Wettbewerb mit U-238. Das Ergebnis ist eine verminderte Umwandlung von U-238 und daher verminderte Wirkungen der Kontrollstabgeschichte. Die grösseren Kosten von Hafnium können für den Gebrauch in Kontrollstäben von C-Zellen gerechtfertigt werden, weil sie nur wenige Kontrollstäbe des Kernes betreffen und darüberhinaus den stärksten Belastungen ausgesetzt sind. Die Kontrollstabauslegung der Fig. 9D minimalisiert die Kosten durch Anordnen des teuren Hafniums nur in dem Bereich des Kontrollstabblattes, wo dieses Material notwendig ist, um die Lebensdauer des Kontrollstabblattes zu verlän-gern.

Schliesslich ist zur Verminderung der Änderungsgeschwindigkeit bei der lokalen Leistung im benachbarten Brennstoff bei Bewegung des Kontrollstabes erwünscht, dass der Kontrollstabantrieb 171 (vergleiche Fig. 9A) von der Art mit Feinbewegung ist. Ein geeigneter Antrieb mit kombinierter Feinbewegung und Schnellbewegung ist in der US-PS 3 734 824 gezeigt.

Die Kontrollstäbe ausserhalb der C-Zellen, d.h. die Kontrollstäbe der N-Zellen, werden herausgezogen, wenn der Reaktorkern im Leistungszustand ist. Deshalb haben diese Kontrollstäbe eine lange Lebensdauer und können aus stärker absorbierendem und teurerem Material hergestellt werden, um ihre Fähigkeit, den Reaktor kalt abzustellen, maximal zu gestalten.

Ein Beispiel eines Kontrollstabes 182 und eines Antriebes 172 zur Verwendung in den N-Zellen ist in Fig. 10 dargestellt. Die allgemeine Anordnung des Kontrollstabes 182 ist ähnlich der des Kontrollstabes 181 der Fig. 9A. Diese allgemeine Beschreibung wird daher nicht wiederholt.

In einem Siedewasserreaktor z.B. ist im kalten Zustand der Brennstoff im oberen Teil des Kernes am reaktionsfähigsten. Es ist daher in den Kontrollstäben der N-Zellen nicht erforderlich, ein teureres und stärker neutronenabsorbierendes Material zu benutzen mit Ausnahme des oberen Viertel oder Drittel der Absorberstäbe. Das in Fig. 10 gezeigte einzigartig starke Blatt der Absorberstäbe zum Abstellen des Reaktors enthält daher z.B. Bor-10 Karbid im oberen Drittel der Blätter 56'(1) bis 56'(4) und das übliche B4C in den unteren zwei Dritteln der Länge der Blätter.

Schliesslich kann der Kontrollstabantrieb 172 relativ einfach sein, um stufenweise und Schnellbewegung zu erzeugen. Ein solcher geeigneter Antrieb ist z.B. in der US-PS 3 020 887 beschrieben.

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21 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Füllen mit Kernbrennstoff und Betreiben eines Kernreaktorkernes mit einer Vielzahl von Zellen, wobei jede Zelle eine Vielzahl einzeln ersetzbarer Brennstoffeinheiten enthält, die einen selektiv einschiebbaren Kontrollstab umgeben und der Reaktor nach jeweils einem Zyklus periodischen Betriebes zum Ersatz eines Teiles der Brennstoffeinheiten des Kernes abgeschaltet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

a) Markieren eines Musters zweier Arten von Zellen in dem Kern, nämlich eines Satzes von Kontrollzellen und eines Satzes von Nichtkontrollzellen, wobei die Kontrollzellen voneinander durch mindestens eine Nichtkontrollzelle getrennt sind,

b) Anordnen von Brennstoffeinheiten mit Brennstoff relativ geringer Reaktivität in den Kontrollzellen, wobei die Auslegung dieser Brennstoffeinheiten einem Einsatz in den Kontrollzellen besonders angepasst ist,

c) Anordnen von Brennstoffeinheiten mit Brennstoff höherer Reaktivität in den Nichtkontrollzellen, wobei die Auslegung dieser Brennstoffeinheiten besonders für einen nachfolgenden Einsatz in Kontrollzellen angepasst ist und die höhere Reaktivität für eine Aufenthaltszeit dieser Brennstoffeinheiten in dem Kern von n Betriebszyklen ausreicht,

d) Betreiben des Reaktorkernes während eines Betriebszyklus, wobei die Kontrollstäbe der Nichtkontrollzellen im wesentlichen aus dem Kern herausgezogen sind und die Kon-trollstäbe zumindest einiger der Kontrollzellen selektiv in den Kern eingeführt sind, um dessen Leistungsniveau zu steuern,

e) Abschalten des Reaktors zum Brennstoffersatz im Kern am Schluss des laufenden Betriebszyklus,

f) Herausnehmen von Brennstoffeinheiten aus den Kontrollzellen,

g) Ersetzen der Brennstoffeinheiten, die aus den Kontrollzellen herausgenommen wurden, durch bestrahlte Brennstoffeinheiten, die aus den Nichtkontrollzellen stammen, wobei diese bestrahlten Brennstoffeinheiten für n—1 Betriebszyklen in dem Kern waren,

h) Einführen unbestrahlter Brennstoffeinheiten mindestens gleicher Zahl wie die bestrahlten Brennstoffeinheiten, die in die Kontrollzellen überführt worden sind, in die Nichtkontrollzellen, wobei die Anreicherung der unbestrahlten Brennstoffeinheitn eine Reaktivität liefert, die für eine Aufenthaltszeit in dem Kern von n Betriebszyklen ausreicht, und i) Betreiben des Reaktorkernes während aufeinanderfolgender Betriebszyklen gemäss den Verfahrensschritten d) bis h).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betreiben des Reaktorkernes derart ausgeführt wird, dass die teilweise eingeführten Blätter der Kontrollstäbe nicht benachbart zu hoch reaktivem Brennstoff eingeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Brennstoffeinheiten abbrennbares Absorbermaterial enthalten und das Betreiben des Reaktorkernes derart erfolgt, dass die teilweise eingeführten Blätter der Kontrollstäbe nicht benachbart dem Brennstoff eingeführt werden, der nicht erschöpften abbrennbaren Absorber enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschrittes h) nicht bestrahlte Brennstoffeinheiten in Nichtkontrollzellen eingeführt werden, welche als Bestandteile eine Vielzahl langgestreckter, im Abstand und im wesentlichen parallel angeordneter Brennstoffelemente umfassen, die in einer vierseitigen Anordnung sich befinden, wobei zwei benachbarte Seiten der Einheit zum Anordnen benachbart zu den Blättern eines Kontrollstabes in dem Kern ausgewählt werden, und eine zentrale Gruppe solcher Brennstoffelemente der Baueinheit Brennstoff relativ hoher Anreicherung, eine Zwischengruppe der Brennstoffelemente Brennstoff einer mittleren Anreicherung, die geringer ist als die hohe Anreicherung, und eine periphere Gruppe von Brennstoffelementen Brennstoff geringer Anreicherung, die geringer ist als die mittlere Anreicherung enthält, während die an den Ecken befindlichen Brennstoffelemente einen Brennstoff mit einer Anreicherung, die geringer ist als die geringe Anreicherung enthalten, und das eine Brennstoffelement, das in der Ecke angeordnet ist, die durch die genannten beiden ausgewählten dem Kontrollstab benachbarten Seiten gebildet wird, Brennstoff einer Anreicherung enthält, die geringer ist als die aller anderen Brennstoffelemente dieser Baueinheit, sowie ein Teil der Brennstoffelemente dieser Baueinheit abbrennbaren Absorber enthält, und sich mindestens ein Moderator leitender Stab durch die zentrale Gruppe der Brennstoffelemente erstreckt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschrittes f) alle Brennstoffeinheiten aus jeder Kontrollzelle entfernt und im Verfahrensschritt g) durch Brennstoffeinheiten aus Nichtkontrollzellen ersetzt werden, die für n—1 Betriebszyklen bestrahlt worden sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschrittes f) mindestens einige der Brennstoffeinheiten von mindestens einigen der Kontrollzellen entfernt und im Verfahrensschritt g) durch unbestrahlte Brennstoffeinheiten relativ geringer Reaktivität ersetzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschrittes f) nur einige der Brennstoffeinheiten von mindestens einigen der Kontrollzellen herausgenommen und im Verfahrensschritt g) durch bestrahlte Brennstoffeinheiten relativ geringer Reaktivität ersetzt werden, die für weniger als n—1 Betriebszyklen in den Nichtkontrollzellen bestrahlt worden sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur solche Brennstoffeinheiten von den Nichtkontrollzellen in die Kontrollzellen überführt werden, die Mittel aufweisen, um die Beständigkeit der Brennstoffelemente darin gegenüber einer Wechselwirkung von Brennstoffpellet und Elementhülle zu erhöhen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch das Bestimmen eines weiteren Satzes sekundärer Kontrollzellen während des Verfahrensschrittes a), welche Brennstoffeinheiten enthalten, deren Brennstoff eine Reaktivität aufweist, die grösser ist als die Reaktivität des Brennstoffes der genannten Kontrollzellen, aber geringer als die Reaktivität des Brennstoffes der Nichtkontrollzellen, wobei man die Kontrollstäbe der sekundären Kontrollzellen während des Hochfahrens des Reaktors und Annäherns an den Betrieb mit voller Leistung benutzt und die Kontrollstäbe der sekundären Kontrollzellen während des Betriebes mit voller Leistung herausgezogen lässt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Stufe des Anordnens von Kontrollstäben mit grauen Spitzen in den Kontrollzellen, wobei diese grauen Spitzen eine fortschreitend abnehmende Kontrollstärke entlang eines oberen Bereichs der Kontrollstäbe zu einem oberen Gusskörper hin aufweisen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige obere Bereich der Kontrollstäbe zu ihrem oberen Gusskörper hin und ihre jeweiligen äusseren Seitenbereiche mit Hafnium gefüllt werden, während der Rest des neutronenabsorbierenden Materials in diesen Kontrollstäben Bor ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, dass in den Nichtkontrollzellen Kontrollstäbe mit grösserer Kontrollstärke in ihren zum obe5

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ren Gusskörper hin gerichteten oberen Bereiche als in den zu einem unteren Gusskörper hin gerichteten unteren Bereiche angeordnet sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass Bor-10-Karbid in zum oberen Gusskörper hin gerichteten oberen Viertel bis Drittel der Kontrollstäbe der Nichtkontrollzellen angeordnet wird, während die zum unteren Gusskörper hin gerichteten unteren Bereiche dieser Stäbe natürliches B4C enthalten.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinheiten, die während des Verfahrensschrittes b) in den Kontrollzellen angeordnet werden, besonders ausgelegt sind, um die Kontrollstabbewegung benachbart dazu zu tolerieren, wobei diese Auslegung einen Brennstoff geringer Anreicherung in den Brennstoffelementen der Einheit benachbart dem Kontrollstabkanal der Zelle und die Abwesenheit abbrennbaren Absorbers darin einschliesst.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt a) in dem Muster zwei Arten von Sätzen von Kontrollzellen bestimmt werden, wobei der erste Satz von Kontrollzellen so ausreichend vorhanden ist, dass deren Kontrollstäbe den Reaktorkern im Leistungszustand kontrollieren können, und diese Kontrollzellen voneinander durch mindestens eine Zelle anderer Sätze von Zellen getrennt sind, und der zweite Satz von Kontrollzellen so ausreichend vorhanden ist, dass deren Kontrollstäbe den Kern im Leistungszustand ebenfalls zu kontrollieren vermögen, und diese Kontrollzellen durch mindestens eine Zelle anderer Sätze von Zellen voneinander getrennt sind und die Zellen dieses zweiten Satzes von Kontrollzellen an anderen Zellpositionen im Kern angeordnet sind, als die Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen, und dass das Muster von Zellen einen Satz von Nichtkontrollzellen einschliesst, deren Zellen zwischen den Zellen des ersten und zweiten Satzes von Kontrollzellen angeordnet sind, und dass in dem Verfahrensschritt b) Brennstoffeinheiten mit Brennstoff relativ geringer Reaktivität in den Zellen des ersten und zweiten Satzes von Kontrollzellen angeordnet werden, wobei die Brennstoffeinheiten in den Zellen des zweiten Satzes von Kontrollzellen eine durchschnittliche Zellreaktivität ergeben, die zwischen der durchschnittlichen Zellreaktivität der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen und den Zellen der Nichtkontrollzellen liegt, wobei mindestens einige der Brennstoffeinheiten in dem zweiten Satz von Kontrollzellen während n—2 Betriebszyklen bestrahlt worden sind, und dass in dem Verfahrensschritt c) Brennstoffeinheiten mit Brennstoff höherer Aktivität in den Zellen der Nichtkontrollzellen angeordnet werden, wobei diese Einheiten mindestens einige Brennstoffeinheiten unbestrahlten Brennstoffes ein-schliessen, dessen Reaktivität ausreicht für eine Aufenthaltszeit im Kern von n Betriebszyklen, und dass dieser Reaktorkern in dem Verfahrensschritt d) während eines Betriebszyklus betrieben wird, wobei die Kontrollstäbe des zweiten Satzes von Kontrollzellen und der Nichtkontrollzellen im Leistungszustand im wesentlichen herausgezogen sind und die Kontrollstäbe mindestens einiger der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen selektiv in den Kern eingeführt sind, um ihn zu steuern, und dass der Reaktor in dem Verfahrensschritt e) zum Nachladen von Brennstoff in den Reaktorkern am Ende des genannten Betriebszyklus abgestellt wird, und dass in den Verfahrensschritten f), g) und h) mindestens einige der Brennstoffeinheiten jeder der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen herausgenommen und durch andere Brennstoffeinheiten ersetzt werden, sowie auch mindestens einige der Brennstoffeinheiten aus den Zellen der Nichtkontrollzellen herausgenommen und durch unbestrahlte Brennstoffeinheiten ersetzt werden, und Brennstoffeinheiten mit Brennstoff relativ geringer Reaktivität in den Zellen des zweiten Satzes von Kontrollzellen angeordnet werden, wobei man mindestens einige der Brennstoffeinheiten darin belässt, die für n—1 Betriebszyklen bestrahlt worden sind, wodurch die Bewegung von Brennstoffeinheiten während des Nachladens von Brennstoff minimalisiert wird, und dass in dem Verfahrensschritt i) der Reaktorkern währnd eines nachfolgenden Betriebszyklus gemäss dem Verfahrensschritt d) betrieben wird, wobei die Kontrollstäbe der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen und der Nichtkontrollzellen im Leistungszustand im wesentlichen herausgezogen sind und die Kontrollstäbe mindestens einiger der Zellen des zweiten Satzes von Kontrollzellen selektiv in den Reaktorkern eingeführt sind, um ihn zu steuern.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Verfahrensschritten f) bis h) zum Austausch benutzten Brennstoffeinheiten der Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen mindestens einige Brennstoffeinheiten einschliessen, die für n—2 Betriebszyklen bestrahlt worden sind, während für den nächstfolgenden Betriebszyklus Brennstoff geringerer Reaktivität in den Zellen des ersten Satzes von Kontrollzellen angeordnet wird und deren Kontrollstäbe selektiv eingeführt werden, um den Reaktorkern zu steuern, während die Kontrollstäbe der Zellen des zweiten Satzes von Kontrollzellen und der Nichtkontrollzellen während des Leistungszustandes im wesentlichen aus dem Reaktorkern herausgezogen sind.
17. Verfahren nach den Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verfahrensschritten 0 bis h) die Brennstoffeinheiten, die in den Nichtkontrollzellen angeordnet werden, eine gleichmässige Mischung von Brennstoffein-heiten umfassen, die entweder unbestrahlt sind oder für n—3 Zyklen bestrahlt worden sind.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den peripheren Positionen des Kernes Brennstoffeinheiten mit Brennstoff relativ geringer Reaktivität eingesetzt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffeinheiten mit Brennstoff höherer Reaktivität in Positionen innerhalb des Reaktorkerns zwischen die Sätze von Kontroll- bzw. Nichtkontrollzellen eingesetzt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Brennstoffeinheiten, die sich auf den genannten Zwischenpositionen befinden, während des Nachladens in Nichtkontrollzellpositionen überführt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Brennstoffeinheiten, die in den peripheren Positionen angeordnet werden, bestrahlt worden sind, und dass sie in diesen peripheren Positionen für ihren letzten Betriebszyklus in diesem Kern angeordnet werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass man Kontrollstäbe mit grauen Spitzen in den Zellen des ersten und zweiten Satzes von Kontrollzellen anordnet, wobei diese grauen Spitzen eine fortschreitend abnehmende Kontrollstärke entlang eines oberen Bereiches der Kontrollstäbe zu einem oberen Gusskörper hin aufweisen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-22, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich der ersten und zweiten Kontrolltäbe zu einem oberen Gusskörper hin und ihre jeweiligen Seitenbereiche mit Hafnium gefüllt werden, wobei der Rest des neutronenabsorbierenden Materials in den Kontrollstäben dieser Zellen Bor ist.

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