DE3837244A1

DE3837244A1 - Brennstoffkassette

Info

Publication number: DE3837244A1
Application number: DE3837244A
Authority: DE
Inventors: Katsumasa Haikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1988-11-02
Publication date: 1989-05-24
Also published as: US4986958A; DE3837244C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffkassette, insbeson dere zur Verwendung in einem Siedewasserreaktor bzw. SWR.

Die Spaltzone eines solchen SWR enthält eine Mehrzahl Brennstoffkassetten, die in vorbestimmten Abständen von einander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Brennstoffkassetten mehrere Stellstäbe eingesetzt sind.

Die Brennstoffkassette umfaßt eine obere Gitterplatte, eine untere Gitterplatte und eine Mehrzahl Brennstäbe, deren entgegengesetzte Enden von den beiden Gitterplatten abge stützt sind. Jeder Brennstab enthält eine Vielzahl Brenn stofftabletten. Auf der oberen Gitterplatte ist ein Ele mentkasten angeordnet, der ein Brennstabbündel umgibt.

Die mit solchen Brennstoffkassetten resultierende maximale Leistung in der Spaltzone wird erhalten, indem das Produkt der folgenden drei Leistungsüberhöhungen mit der mittleren Leistung der Brennstoffkassetten in der Spaltzone multi pliziert wird. Eine erste Leistungsüberhöhung ist dabei die radiale Leistungsüberhöhung, die das Verhältnis der maximalen Leistung der Brennstoffkassetten in der Spaltzone zur mittleren Leistung der Brennstoffkassetten bezeichnet. Eine zweite Leistungsüberhöhung ist die axiale Leistungs überhöhung, die das Verhältnis der maximalen Leistung zur mittleren Leistung der Spaltzone in deren Vertikalrichtung bezeichnet. Eine dritte Leistungsüberhöhung ist die lokale Leistungsüberhöhung, die das Verhältnis der maximalen Lei stung der Brennstäbe in der Brennstoffkassette zur mittle ren Stableistung in der Brennstoffkassette bezeichnet. Die Leistung P jedes Brennstabs in der Brennstoffkassette ist gegeben durch:

P = Φ · δ _r · N

mit
Φ = thermischer Neutronenfluß in der Stellung des Brennstabs,
δ _r = Spaltungsquerschnitt eines spaltbaren Materials und
N = Dichte der Atome im spaltbaren Material im Brennstab (nachstehend als "Brennstoffatome" bezeichnet).

Zur wirksamen Verbrennung des Brennstoffs und zur Verlän gerung von dessen Abbranddauer muß der sogenannte unend liche Multiplikationsfaktor der Brennstoffkassette vergrö ßert werden. Es ist bekannt, daß zur Vergrößerung des unendlichen Multiplikationsfaktors die Dichte der Brenn stoffatome in einem Bereich erhöht werden kann, in dem der thermische Neutronenflußpegel hoch ist, und die Dichte der Brennstoffatome in einem Bereich verringert werden kann, in dem der thermische Neutronenflußpegel niedrig ist. Bei dem obengenannten SWR ist der thermische Neutronenflußpegel im Randbereich der Brennstoffkassette hoch, während er im Mittenbereich aufgrund der nichtgleichförmigen Verteilung eines Neutronenmoderators, des Neutronenabsorptionseffekts des Brennstabs selbst etc. niedrig ist. Es ist somit er wünscht, daß eine Brennstoffkassette des Typs, die in einem SWR verwendbar ist, so geformt wird, daß die Dichte der Brennstoffatome im Randbereich der Brennstoffkassette grö ßer als in ihrem Mittenbereich ist.

Die in der nichtgeprüften JP-Patentveröffentlichung Nr. 58-26 292 angegebene Brennstoffkassette kann diese For derung erfüllen.

Diese Brennstoffkassette ist wie folgt aufgebaut: In der Brennstoffkassette sind parallel zueinander und als Einheit eine Mehrzahl Brennstäbe angeordnet, die für einen Reaktor gedacht sind, der als Brennstoff einen Spaltstoff verwen det. Die mittlere Dichte des Spaltstoffs in den Brennstäben im Außenbereich der Brennstoffkassette ist so gewählt, daß sie höher als die mittlere Dichte des Spaltstoffs in den Brennstäben im Mittenbereich der Brennstoffkassette ist. Ähnlich wie in der US-PS 42 29 258 ist das Verhältnis des in jedem Brennstab enthaltenen Spaltstoffs in Axialrichtung so geändert, daß der unendliche Multiplikationsfaktor im oberen Abschnitt der Brennstoffkassette größer als der unendliche Multiplikationsfaktor im unteren Abschnitt der Brennstoffkassette wird. Damit wird der unendliche Multi plikationsfaktor der gesamten Brennstoffkassette vergrö ßert, und infolgedessen wird die Abbrandperiode der Brenn stoffkassette verlängert.

Vor einiger Zeit wurde ein Brennstoff mit hohem Abbrandgrad entwickelt, und der Trend geht in Richtung einer Steigerung der Anreicherung einer Brennstofftablette des Typs, die in einen Brennstab verbracht wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Brennstoffkassette, deren axiale Leistungsüberhöhung unter drückt und deren Brennstoffökonomie durch die wirksame Nutzung von Neutronen verbessert werden kann. Dabei soll die Brennstoffkassette so ausgelegt sein, daß eine Verrin gerung ihres unendlichen Multiplikationsfaktors unterdrückt werden kann.

Die Brennstoffkassette nach der Erfindung mit einer Mehr zahl Brennstäbe ist dadurch gekennzeichnet, daß von den im Außenbereich der Brennstoffkassette angeordneten Brenn stäben der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen unteren Bereichen größer als die mittlere An reicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, kleiner als der Anteil Brennstäbe ist, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Bereichen der Brennstoffkassette ist.

Ferner ist die Brennstoffkassette nach der Erfindung mit einer Mehrzahl Brennstäbe dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Brennstoffkassette der Anteil Brenn stäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Berei chen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist, nicht kleiner als 50% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich der Brennstoffkas sette ist, wogegen im unteren Bereich der Brennstoffkas sette der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen unteren Bereichen größer als die mittlere An reicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, nicht größer als 20% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außen bereich der Brennstoffkassette ist.

Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung befinden sich im Außenbereich des oberen Bereichs der Brennstoffkassette wenigstens die Brennstäbe, deren Brennstoffanreicherung in den oberen Brennstababschnitten größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist. Da somit die Neutronen im Außenbereich der Brennstoffkas sette, in dem der Neutronenflußpegel hoch ist, in wirksamer Weise genützt werden können, kann eine gute Brennstofföko nomie erzielt werden. Von den im Außenbereich der Brenn stoffkassette angeordneten Brennstäben ist der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen unteren Brennstababschnitten größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, geringer als der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jewei ligen oberen Brennstababschnitten größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist. Somit ist es möglich, die lokale Leistungsüberhöhung im unteren Bereich der Brennstoffkassette, die einen geringen Leerraumanteil aufweist, zu verringern, wobei insbesondere die lokale Leistungsüberhöhung im Außenbereich des unteren Bereichs vermindert werden kann.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind von den im oberen Bereich der Brennstoffkassette befindlichen Brenn stäben wenigstens 50% der im Randbereich befindlichen Brennstäbe solche, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist. Da somit Neutro nen im Randbereich, in dem der Neutronenflußpegel hoch ist, in wirksamer Weise genützt werden können, kann eine gute Brennstoffökonomie erzielt werden. Bei dieser Anordnung ist die Anreicherung von wenigstens 50% der im Randbereich der Brennstoffkassette liegenden Brennstäbe im jeweiligen obe ren Brennstabbereich größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette. Infolgedessen findet keine schnelle Abnahme des Inkrements des unendli chen Multiplikationsfaktors der Brennstoffkassette statt. Ferner liegt der Anteil der Brennstäbe im Randbereich, deren Anreicherung in ihren jeweiligen unteren Brennstab bereichen größer als die mittlere Anreicherung des unteren Bereichs der Brennstoffkassette ist, nicht über 20%. Es ist somit möglich, die lokale Leistungsüberhöhung im unte ren Bereich der Brennstoffkassette, der einen geringen Leerraumanteil hat, zu vermindern, und zwar insbesondere die lokale Leistungsüberhöhung im Außenbereich der Brenn stoffkassette und damit die axiale Leistungsüberhöhung zu vermindern. Außerdem kann aufgrund der vorgenannten Funk tionen die Spaltstoffmenge in einer neuen Brennstoffkas sette (die Bestrahlung der Brennstoffkassette ist Null), mit der die Spaltzone eines Reaktors beschickt werden soll, erhöht werden, so daß die Brennstoffbestrahlung gesteigert werden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Kurvenverlauf, der die Beziehung zwi schen dem Brennstabanteil mit stärkerer An reicherung als der mittleren Anreicherung im unteren Bereich von den im Außenbereich des unteren Bereichs einer Brennstoffkassette angeordneten Brennstäben und dem Inkrement einer entsprechenden lokalen Leistungsüber höhung zeigt;

Fig. 2 einen Kurvenverlauf, der die Beziehung zwi schen dem Brennstabanteil mit stärkerer An reicherung als der mittleren Anreicherung im oberen Bereich von den im Außenbereich des oberen Bereichs der Brennstoffkassette ange ordneten Brennstäben und dem Inkrement eines entsprechenden unendlichen Multiplikations faktors zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm, das den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffkassette nach der Erfindung zum Einsatz in einem SWR zeigt;

Fig. 4 den Aufbau eines der Brennstäbe von Fig. 3;

Fig. 5 den konkreten Aufbau des Querschnitts der Brennstoffkassette von Fig. 3;

Fig. 6 die Anreicherungsverteilung in jeder der in Fig. 5 gezeigten Brennstabarten;

Fig. 7A einen Querschnitt VIIA-VIIA von Fig. 3;

Fig. 7B einen Querschnitt VIIB-VIIB von Fig. 3;

Fig. 8 und 9 Kurvenverläufe, die die Verteilungen der relativen Leistung in Axialrichtung einer Spaltzone zeigen;

Fig. 10 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungs form der Brennstoffkassette nach der Erfin dung;

Fig. 11 einen Querschnitt einer anderen Ausführungs form der Brennstoffkassette nach der Erfin dung; und

Fig. 12 die Anreicherungsverteilung in jeder der in Fig. 1 gezeigten Brennstabarten.

Vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung wurde eine Brenn stoffkassette mit weiter erhöhter Anreicherung und damit erweitertem hohem Abbrand untersucht, wobei das in der nichtgeprüften JP-Patentveröffentlichung 58-26 292 ange gebene Konzept angewandt wurde, d. h. wobei die Anreiche rung der oberen Bereiche der Brennstäbe, die im Außenbe reich einer Brennstoffkassette angeordnet sind, größer als die mittlere Anreicherung des oberen Bereichs der Brenn stoffkassette ist, während die Anreicherung der unteren Bereiche der in diesem Außenbereich liegenden Brennstäbe größer als die mittlere Anreicherung des unteren Bereichs der Brennstoffkassette ist, wodurch die Brennstoffökonomie verbessert wird. Aus dieser Untersuchung hat sich folgendes Problem ergeben: Da bei der vorgenannten Brennstoffkassette Brennstäbe mit höherer Anreicherung im Außenbereich ange ordnet sind, in dem der Neutronenflußpegel hoch ist, und da es ferner notwendig ist, die Anreicherung weiter zu erhö hen, um den Abbrand zu verlängern, nimmt die Überhöhung der axialen Leistungsverteilung, die im unteren Bereich ent steht, weiter zu. Infolgedessen kann die maximale lineare Leistungsdichte jedes Brennstabs den zulässigen Wert über steigen.

Um Möglichkeiten zur Lösung des vorgenannten Problems zu finden, wurden die verschiedenen Aspekte der in der ge nannten Veröffentlichung angegebenen Brennstoffkassette untersucht. Dabei wurde eine Brennstoffkassette verwendet, in der die Spaltstoffmenge im Außenbereich größer als im Mittenbereich war und in der die Gesamtmenge an Spaltstoff vergrößert war. Zuerst wurde untersucht, warum die im unte ren Bereich ausgebildete axiale Leistungsüberhöhung zunahm, wenn die Gesamtmenge an Spaltstoff in einer Brennstoffkas sette erhöht wurde, in der die Spaltstoffmenge im Außen bereich größer als im Mittenbereich war. Dabei wurde fol gendes gefunden: Der Leerraumanteil im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist gegenüber dem Leerraumanteil im obe ren Bereich klein, und daher ist die Auswirkung einer Neu tronenverlangsamung groß. Die Auswirkung der Neutronenver langsamung im Außenbereich des Querschnitts der Brennstoff kassette ist größer als im Mittenbereich. Wenn also die Spaltstoffmenge in der gesamten Brennstoffkassette vergrö ßert wird, wird die lokale Leistungsüberhöhung im Außen bereich des unteren Bereichs viel zu groß, was in einer Steigerung der axialen Leistungsüberhöhung resultiert.

Aufgrund dieser Feststellung wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, wobei die Spaltstoffmenge im Außenbereich des unteren Bereichs geändert wurde; dabei wurde der Kurven verlauf von Fig. 1 erhalten. Die Kurve von Fig. 1 bezeich net die Beziehung zwischen dem Anteil an Brennstäben im Außenbereich (im äußersten Bereich), deren Anreicherung in ihrem jeweiligen unteren Bereich größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, und dem Inkrement der lokalen Leistungsüberhöhung der Brennstoffkassette. Wenn der Anteil Brennstäbe, deren An reicherung in ihrem unteren Bereich größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, 20% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich über steigt, dann wird das Inkrement der lokalen Leistungsüber höhung sehr groß. Es ist daher erwünscht, daß der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren unteren Brennstab bereichen größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, nicht größer als 20% im Außenbereich der Brennstoffkassette gewählt wird. Wenn im Außenbereich der Brennstoffkassette der Anteil Brenn stäbe mit starker Anreicherung nicht größer als der obige Zahlenwert gewählt ist, kann eine starke Steigerung der axialen Leistungsüberhöhung vermieden und damit die maxi male lineare Leistungsdichte jedes Brennstabs auf einen Wert unter dem zulässigen Wert verringert werden.

Zusätzlich zu der Untersuchung hinsichtlich des unteren Bereichs der Brennstoffkassette wurde der im oberen Bereich der Brennstoffkassette wirksame Einfluß untersucht, der durch den Anteil Brennstäbe unter den im Außenbereich (im äußersten Bereich) angeordneten Brennstäben, deren Anrei cherung in ihren oberen Brennstabbereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkas sette ist, entsteht. Dabei wurde der Kurvenverlauf von Fig. 2 erhalten: Wenn der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in den oberen Brennstabbereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist, weniger als 50% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbe reich beträgt, dann wird das Inkrement des unendlichen Multiplikationsfaktors der Brennstoffkassette signifikant vermindert. Wenn also der Anteil Brennstäbe, deren Anrei cherung in den oberen Brennstabbereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkas sette ist, wenigstens 50% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich ist, kann der Effekt der in der genannten JP-Patentveröffentlichung angegebenen Brennstoffkassette, deren Anreicherung im Außenbereich größer ist, wirksam genützt werden. Aber selbst wenn der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in den entsprechenden Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brenn stoffkassette ist, nicht kleiner als 50% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich der Brennstoffkassette gewählt ist, steigt die lokale Leistungsüberhöhung nicht auf einen so extremen Wert an, daß dadurch die maximale lineare Lei stungsdichte jedes Brennstabs beeinträchtigt wird (d. h. in einem solchen Ausmaß, daß die maximale lineare Leistungs verteilung jedes Brennstabs den zulässigen Wert überschrei tet), da der Leerraumanteil im oberen Bereich der Brenn stoffkassette hoch ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 5 wird eine Ausfüh rungsform der Brennstoffkassette erläutert, die auf der Grundlage der Resultate der obigen Untersuchungen imple mentiert ist.

Eine Brennstoffkassette 10 hat eine untere Gitterplatte 14, einen Wasserstab 17, eine Mehrzahl Brennstäbe 16 und eine obere Gitterplatte 21. Die Ober- und Unterenden des Wasser stabs 17 und der Brennstäbe 16 sind von der unteren und der oberen Gitterplatte 14 bzw. 21 gehaltert. Ein Elementkasten 12 ist auf der oberen Gitterplatte 21 befestigt. Die untere Gitterplatte 14 ist am Unterende des Elementkastens 12 befestigt. In der unteren Gitterplatte 14 sind eine Mehr zahl Öffnungen gebildet, und die unteren Endstopfen 18 der Brennstäbe 16 sind in die Öffnungen eingesetzt. Die Brenn stäbe 16 werden von an ihren jeweiligen oberen Endstopfen 20 befestigten Expansionsfedern 22 nach unten gedrückt. In der Brennstoffkassette 10 sind in deren Axialrichtung eine Mehrzahl Abstandshalter 26 angeordnet, die vorbestimmte Abstände zwischen jeweils benachbarten Brennstäben 16 ein halten. Auf der Oberseite der oberen Gitterplatte 14 ist ein Griff 28 befestigt.

Jeder Brennstab 16 weist ein Hüllrohr 30 auf, dessen ent gegengesetzte Enden durch den unteren Endstopfen 18 bzw. den oberen Endstopfen 20 hermetisch verschlossen sind, und das Hüllrohr 30 ist mit einer Vielzahl Brennstofftabletten 32 beschickt. Diese Brennstofftabletten 32 werden von einer Feder 34 nach axial unten beaufschlagt.

Der Wasserstab 17 (Fig. 5) ist in der Mitte des Quer schnitts der Brennstoffkassette 10 angeordnet. Der Außen durchmesser des Wasserstabs 17 ist größer als die Abstände, in denen die Brennstäbe 16 angeordnet sind. Insbesondere nimmt der Querschnitt des Wasserstabs 17 eine Fläche ein, die vier Brennstäbe 16 aufnehmen könnte.

Eine Strichlinie 13 in Fig. 5 bezeichnet die Grenze zwi schen dem Außen- und dem Mittenabschnitt bei Betrachtung der Brennstoffkassette 10 im Querschnitt. Der Außenbereich, in dem der thermische Neutronenflußpegel hoch ist, liegt außerhalb der Strichlinie 13 und nimmt die Brennstäbe 16 auf, die im äußersten Randbereich der Brennstoffkassette 10 angeordnet sind. Der Bereich innerhalb der Strichlinie 13 ist der Mittenbereich, in dem der thermische Neutronenfluß gegenüber demjenigen im Außenbereich gering ist. Wie Fig. 5 zeigt, sind die in der Brennstoffkassette 10 vorgesehenen Brennstäbe insbesondere in fünf Arten unterteilt, und zwar in Brennstäbe 1-5. Die Anreicherungsverteilung in jedem Brennstab 1-5 ist in Fig. 6 gezeigt. Jeder der Brennstäbe 1-5 enthält Natururan in dem Bereich vom Unterende eines effektiven Brennstofflängenabschnitts (eines mit Brenn stofftabletten beschickten Abschnitts, also des Abschnitts C in Fig. 4) bis zu der Höhe, die ¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts entspricht, sowie auch in dem Bereich von der ²³/₂₄ entsprechenden Höhe der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängen abschnitts bis zum Oberende desselben. Im Fall des Brenn stabs 1 beträgt die Anreicherung in dem Teil des effektiven Brennstofflängenabschnitts, der kein Natururan enthält, 4,8 Gew.-%. Im Fall des Brennstabs 2 beträgt die Anreiche rung im gleichen Teil 3,9 Gew.-%; im Brennstab 4 beträgt die Anreicherung im gleichen Teil 3,3 Gew.-%, und im Brenn stab 5 beträgt die Anreicherung im gleichen Teil 2,3 Gew.-%. In jedem der oben beschriebenen Brennstäbe ist die Anreicherung in Axialrichtung gleichmäßig. Im Fall des Brennstabs 3, bei dem das Unterende seines effektiven Brennstofflängenabschnitts als Basispunkt bezeichnet wird, beträgt die Anreicherung zwischen der ¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts entsprechenden Position und der ¹¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts entspre chenden Position 3,3 Gew.-%, während die Anreicherung in einem Bereich über diesem Bereich, also im Bereich zwischen der ¹¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brenn stofflängenabschnitts entsprechenden Position und der ²³/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflän genabschnitts entsprechenden Position, 3,9 Gew.-%. In der Brennstoffkassette 10, die die Brennstäbe mit der oben be schriebenen Anreicherungsverteilung enthält, beträgt die mittlere Anreicherung im unteren Bereich zwischen ¹/₂₄ und ¹¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstoff längenabschnitts 3,63 Gew.-%, während die mittlere Anrei cherung im oberen Bereich zwischen ¹¹/₂₄ und ²³/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenab schnitts 3,83 Gew.-% beträgt. Der untere Bereich der Brenn stoffkassette 10 entspricht dem Bereich vom Unterende des effektiven Brennstofflängenabschnitts bis ¹¹/₂₄ der gesam ten axialen Länge desselben, während der obere Bereich der Brennstoffkassette 10 dem Bereich von ¹¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts zum Oberende desselben entspricht. Die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 ist größer als im unteren Bereich gewählt. Von den achtundzwanzig Brennstäben 16, die im Außenbereich der Brennstoffkassette 10 ange ordnet sind, sind sechzehn Brennstäbe (deren Anteil 57% beträgt) so gewählt, daß die Anreicherung in ihren jewei ligen oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 ist. Unter den achtundzwanzig Brennstäben 16, die im Außenbereich der Brennstoffkassette liegen, ist jedoch keiner, dessen An reicherung im unteren Bereich größer als die mittlere An reicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 ist. Dies erfüllt die Bedingung, daß der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brenn stoffkassette ist, nicht mehr als 20% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich der Brennstoffkassette ist.

Der Querschnitt von Fig. 7A zeigt den oberen Bereich der Brennstoffkassette 10, wobei die schraffierten Kreise die Brennstäbe 16 bezeichnen, deren Anreicherung in ihren obe ren Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im obe ren Bereich der Brennstoffkassette 10 ist. Der Querschnitt von Fig. 7B zeigt den unteren Bereich der Brennstoffkas sette 10, wobei die schraffierten Kreise die Brennstäbe 16 bezeichnen, deren Anreicherung in ihren unteren Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 ist.

Beim Betrieb eines SWR, dessen Spaltzone mit den Brenn stoffkassetten 10 beschickt ist, die jeweils wie oben be schrieben ausgelegt sind, wird der thermische Neutronenfluß im Mittenabschnitt ungeachtet des Wasserstabs 17 größer als im Außenbereich, und zwar unter dem Einfluß des Wasser spalts zwischen jeweils benachbarten Brennstoffkassetten 10. Da der Anteil Brennstäbe 16, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 ist, 57% der Gesamtanzahl Brennstäbe 16 im Außenbereich der Brennstoffkassette 10 ist, ist der unendliche Multi plikationsfaktor im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 groß. Dies führt zu einer Erhöhung des unendlichen Mul tiplikationsfaktors in der gesamten Brennstoffkassette 10. Da andererseits die Brennstäbe 16, deren Anreicherung in ihren unteren Bereichen geringer als die mittlere Anrei cherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 ist, im Außenbereich der Brennstoffkassette angeordnet sind, wird die lokale Leistungsüberhöhung der Brennstoffkassette 10 klein, und die maximale lineare Leistungsverteilung wird niedriger als ihr zulässiger Wert, und außerdem wird der unendliche Multiplikationsfaktor im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 klein.

Die mittlere Anreicherung der Brennstoffkassette 10 ist gegenüber der Brennstoffkassette der Fig. 4 und 5 der genannten JP-Patentveröffentlichung signifikant. Infolge dessen ist die Abbranddauer der Brennstoffkassette 10 noch länger als diejenige der bekannten Brennstoffkassette. Außerdem ergibt sich bei der beschriebenen Brennstoffkas sette 10 kein Problem hinsichtlich der Leistungsüberhöhung, und zwar aus folgendem Grund. Da bei dieser Ausführungsform die Brennstäbe 16, deren Anreicherung in den jeweiligen oberen Bereichen mit höherem Leerraumanteil größer als die mittlere Anreicherung des oberen Bereichs der Brennstoff kassette ist, im oberen Bereich der Brennstoffkassette angeordnet sind, können die in der genannten JP-Patentver öffentlichung beschriebenen Auswirkungen (S. 4, linke Spal te, Zeilen 11-17), also eine erhebliche Verbesserung der Brennstoffökonomie und eine Verlängerung des Abbrands, ohne die Gefahr einer nachteiligen Beeinflussung einer lokalen Leistungsüberhöhung erzielt werden. Da ferner die Brenn stäbe 16, deren Anreicherung in ihren unteren Bereichen mit kleinerem Leerraumanteil größer als die mittlere Anreiche rung des unteren Abschnitts der Brennstoffkassette ist, nicht im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 ange ordnet sind, wird das Inkrement der lokalen Leistungsüber höhung, wie Fig. 1 zeigt, auf einen Minimalwert vermindert, so daß die lokale Leistungsüberhöhung auf einen niedrigen Pegel unterdrückt werden kann. Dadurch übersteigt die maxi male lineare Leistungsdichte der Brennstoffkassette 10 nicht ihren zulässigen Wert.

Die lokale Leistungsüberhöhung ist im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 gering. Selbst wenn also ein Steuer stab betätigt wird, um eine axiale Leistungsüberhöhung zu erreichen, deren Höhepunkt (entsprechend der Vollinie in Fig. 8) im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 liegt, übersteigt die maximale lineare Leistungsdichte der Brenn stoffkassette 10 nicht ihren zulässigen Wert. Wenn die Lei stungsverteilung entsprechend der Vollinie erhalten werden soll, kann der Steuerstab tief in die Spaltzone eingeführt werden. Durch die Anwendung der Brennstoffkassette 10 wird es möglich, die Leistungsverteilung zu erhalten, deren Maximalwert im unteren Bereich auftritt, ohne daß die maxi male lineare Leistungsdichte den zulässigen Wert über steigt, wie oben erläutert wurde. Daher ist es möglich, eine Spektraldriftsteuerung durchzuführen, wobei Brennstoff wirksam genützt werden kann. Im allgemeinen läuft die Spek traldriftsteuerung wie folgt ab. Während der Periode vom Beginn eines einzelnen Brennstoffzyklus bis zu dessen Mitte ist die mittlere axiale Leistungsverteilung in der Spalt zone derart, daß ihr Ausgangsmaximum im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 auftritt, um den mittleren Leerraum anteil in der Spaltzone zu vergrößern, wodurch eine Härtung des Neutronenspektrums und eine Beschleunigung der Pluto niumakkumulation im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 erzielt werden. Durch Herausziehen des Steuerstabs in der Endphase dieses Brennstoffzyklus erhält man eine solche mittlere axiale Leistungsverteilung in der Spaltzone, daß das Leistungsmaximum im oberen Bereich der Brennstoffkas sette 10 auftritt, der mittlere Leerraumkoeffizient in der Spaltzone verkleinert und dadurch das Neutronenspektrum weicher wird. Somit werden Uran 235 im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 und das Plutonium, das in diesem oberen Bereich zwischen dem Beginn und der Mitte des Brenn stoffzyklus akkumuliert wurde, verbrannt, wodurch die Reak tivität verbessert wird. In der die Brennstoffkassetten 10 enthaltenden Spaltzone wird während der Endphase des Brenn stoffzyklus die axiale Leistungsverteilung erhalten, deren Maximum im oberen Bereich der Brennstoffkassetten liegt (Strichlinie in Fig. 8), und zwar aus folgenden Gründen:

1. die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brenn stoffkassette 10 ist größer als diejenige in ihrem unteren Bereich;
2. mehr Brennstäbe mit starker Anreicherung sind im Randbereich des oberen Abschnitts der Brennstoffkassette als im Randbereich ihres unteren Abschnitts angeordnet;
3. während der Zeit vom Beginn bis zur Mitte eines Brennstoff zyklus wird Spaltstoff im unteren Abschnitt der Brennstoff kassette verbraucht, und der Spaltstoff wird im oberen Bereich der Brennstoffkassette akkumuliert, und der Steuer stab wird herausgezogen.

Damit wird der Leerraumanteil ver ringert, wodurch die Reaktivität verbessert wird. Es ist z. B. möglich, den spezifischen Widerstand in der Endphase eines Brennstoffzyklus um 0,4% Δ k zu verbessern. Da ande rerseits der unendliche Multiplikationsfaktor um ca. 0,2% Δ k infolge einer Verminderung der lokalen Leistungsüber höhung im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 ab nimmt, wird die Brennstoffökonomie um die Differenz von ca. 0,2% Δ k verbessert.

Es ist zu beachten, daß bei durchschnittlicher Steigerung der Anreicherung in der gesamten Brennstoffkassette ent sprechend Fig. 4 der genannten JP-Patentveröffentlichung bis zur mittleren Anreicherung der Brennstoffkassette 10 die lokale Leistungsüberhöhung im unteren Bereich zunimmt und die maximale lineare Leistungsdichte ihren zulässigen Wert überschreitet. Um diese Erscheinung zu verhindern, muß der Steuerstab um etwa seine halbe axiale Länge herausge zogen werden, und die Leistungsverteilung entsprechend einer Strichlinie in Fig. 9 wird in Axialrichtung der Spaltzone in einer Anfangsphase eines Brennstoffzyklus erhalten. Infolgedessen wird die Leistungsverteilung, deren Leistungsmaximum im unteren Bereich auftritt, wie dies die Vollinie von Fig. 9 zeigt, die während einer Anfangsperiode des Brennstoffzyklus der Brennstoffkassette 10 erhalten wird, nicht erreicht, und die Spektraldriftsteuerung kann nicht durchgeführt werden.

Um die axiale Leistungsverteilung entsprechend US-PS 42 29 258 abzuflachen, kann bevorzugt die Grenze zwischen dem oberen Bereich der Brennstoffkassette, deren mittlere Anreicherung groß ist, und dem unteren Bereich der Brenn stoffkassette, deren mittlere Anreicherung gering ist, im Bereich zwischen ¹/₃ bis ⁷/₁₂ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts ausgebildet sein, wenn das Unterende des effektiven Brennstofflängenab schnitts der Brennstoffkassette als Basispunkt angenommen wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird ein weiteres Ausführungs beispiel erläutert. Bei der oben beschriebenen Brennstoff kassette 10 sind die Brennstäbe 16 als Matrix mit acht Reihen und acht Spalten angeordnet; bei der Brennstoff kassette 10 A von Fig. 10 sind die Brennstäbe 16 in Form einer Matrix mit neun Reihen und neun Spalten angeordnet. Wie bei der Brennstoffkassette 10 sind die in der Brenn stoffkassette 10 A angeordneten Brennstäbe 16 in fünf Arten von Brennstäben 1-5 unterteilt, und die Unterschiede zwi schen den Brennstoffkassetten 10 und 10 A liegen in den Positionen und der Anzahl der verwendeten Brennstäbe. Im Mittenabschnitt der Brennstoffkassette 10 A ist ein Wasser stab 17 A angeordnet. Dieser nimmt einen Raum ein, der neun Brennstäbe 16 entspricht. Im Randbereich der Brennstoff kassette 10 A sind 20 Brennstäbe 3 angeordnet, deren Anrei cherung in ihren oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung (3,89 Gew.-%) in dem Bereich der Brennstoff kassette 10 A ist, der dem Bereich zwischen ¹¹/₂₄ und ²²/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängen abschnitts entspricht. Der Anteil dieser Brennstäbe 3 liegt bei ca. 63% der Gesamtanzahl Brennstäbe, die im Randbe reich der Brennstoffkassette 10 A angeordnet sind. Daher ist der unendliche Multiplikationsfaktor des oberen Bereichs der Brennstoffkassette 10 A größer als derjenige ihres unte ren Bereichs. Andererseits befinden sich unter den Brenn stäben im Randbereich der Brennstoffkassette 10 A keine Brennstäbe, deren Anreicherung im unteren Bereich größer als die mittlere Anreicherung (3,66 Gew.-%) in dem Bereich der Brennstoffkassette 10 A ist, der dem Bereich von ¹/₂₄ (dem Unterende) bis ¹¹/₂₄ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts entspricht, und daher ist im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 A die loka le Leistungsüberhöhung gering. Infolgedessen ergeben sich mit dieser Ausführungsform gleiche Auswirkungen wie mit der vorher erläuterten Ausführungsform.

Das in den Fig. 2A, 2B, 3A und 3B der US-PS 45 87 090 ver anschaulichte Konzept kann auf die Brennstoffkassette 10 angewandt werden. Insbesondere wird dabei ein Abbrenngift in die Brennstoffkassette 10 eingebracht, so daß die im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 enthaltene Ab brenngiftmenge größer als die im unteren Bereich der Brenn stoffkassette enthaltene Menge ist. Das Abbrenngift ist z. B. Gd. Eine konkrete Methode zur Erhöhung der im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 enthaltenen Abbrenngift menge gegenüber der im unteren Bereich enthaltenen Abbrenn giftmenge besteht darin, daß die Anzahl der Gd in gleicher Dichte im oberen Bereich der Brennstoffkassette enthalten den Brennstäbe größer als im unteren Bereich gemacht wird. Bei der durch diese axiale Verteilung des Abbrenngifts charakterisierten Brennstoffkassette 10 kann der Effekt der Spektraldrift unter Anwendung des Abbrenngifts erzielt wer den (vgl. die Fig. 5 und 7 der US-PS 45 87 090). Gegenüber der Brennstoffkassette 10, die diese erläuterte axiale Ver teilung des Abbrenngifts nicht aufweist, wird also der Effekt der Spektraldrift weiter verstärkt, wodurch die Brennstoffökonomie weiter verbessert wird.

In diesem Fall ist es wahrscheinlich, daß die Differenz zwischen dem unendlichen Multiplikationsfaktor im oberen Bereich der Brennstoffkassette und demjenigen in ihrem unteren Bereich groß wird, wodurch die Abschalttoleranz des Reaktors verringert wird. Da jedoch bei dieser Ausführungs form das Maximum der axialen Leistungsverteilung im unteren Bereich in der ersten Hälfte eines Brennstoffzyklus auf tritt, wird die Ausgangsleistung im oberen Bereich der Brennstoffkassette relativ klein, so daß der Abbrand des Abbrenngifts im oberen Bereich verlangsamt wird. Infolge dessen bleibt ein Teil des Abbrenngifts in der Endphase des Brennstoffzyklus unverbrannt, wodurch die Abschalttoleranz verbessert wird. Schließlich wird

1. die Differenz zwi schen den unendlichen Multiplikationsfaktoren im oberen und im unteren Bereich der Brennstoffkassette groß, und
2. bleibt das Abbrenngift teilweise unverbrannt,

so daß die Einflüsse von 1. und 2. auf die Abschalttoleranz einander aufheben und die Abschalttoleranz sich nicht ändert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 wird eine weitere Ausführungsform der Brennstoffkassette beschrieben. Die Auslegung der Brennstoffkassette 10 B ist im wesentlichen gleich derjenigen von Fig. 10, und die Brennstoffkassette 10 B ist dadurch charakterisiert, daß in ihrem Außenab schnitt vier Brennstäbe 2 angeordnet sind. Die Anreicherung der vier Brennstäbe 2 in ihren jeweiligen unteren Abschnit ten ist größer als die mittlere Anreicherung (3,69 Gew.-%) im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 B. Der Anteil der Brennstäbe 2, deren Anreicherung in ihren unteren Be reichen größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette 10 B ist, beträgt ca. 12,2% der Gesamtanzahl Brennstäbe, die im Außenbereich der Brenn stoffkassette 10 B angeordnet sind. Die mittlere Anreiche rung im oberen Bereich der Brennstoffkassette 10 B beträgt ca. 3,89 Gew.-%.

Bei dieser Ausführungsform ergeben sich somit ähnliche Aus wirkungen wie bei der Brennstoffkassette 10, wobei aller dings die lokale Leistungsüberhöhung gegenüber derjenigen der Brennstoffkassette 10 etwas größer wird.

Claims

1. Brennstoffkassette mit einer Mehrzahl Brennstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß von den im Außenbereich der Brennstoffkassette ange ordneten Brennstäben der Anteil Brennstäbe, deren Anrei cherung in ihren jeweiligen unteren Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brenn stoffkassette ist, kleiner als der Anteil Brennstäbe ist, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist.

2. Brennstoffkassette mit einer Mehrzahl Brennstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Brennstoffkassette der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist, nicht kleiner als 50% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich der Brennstoff kassette ist, wogegen im unteren Bereich der Brennstoff kassette der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen unteren Bereichen größer als die mittlere An reicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist, nicht größer als 20% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außen bereich der Brennstoffkassette ist.

3. Brennstoffkassette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brenn stoffkassette größer als die mittlere Anreicherung im unte ren Bereich der Brennstoffkassette ist.

4. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenze zwischen dem oberen und dem unteren Bereich in dem Abschnitt zwischen ¹/₃ bis ⁷/₁₂ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts liegt, wenn das Unterende des effektiven Brennstofflängenabschnitts der Brennstoffkassette als Basispunkt festgelegt ist.

5. Brennstoffkassette nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im oberen Bereich der Brennstoffkassette enthaltene Abbrenngiftmenge größer als die im unteren Bereich der Brennstoffkassette enthaltene Abbrenngiftmenge ist.

6. Brennstoffkassette mit einer Mehrzahl Brennstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Brennstoffkassette der Anteil Brennstäbe, deren Anreicherung in ihren jeweiligen oberen Bereichen größer als die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brennstoffkassette ist, nicht weniger als 50% der Gesamtanzahl Brennstäbe im Außenbereich der Brennstoff kassette ist, wogegen im unteren Bereich der Brennstoff kassette die im Außenbereich derselben angeordneten Brenn stäbe solche Brennstäbe sind, deren Anreicherung in ihren jeweiligen unteren Bereichen geringer als die mittlere Anreicherung im unteren Bereich der Brennstoffkassette ist.

7. Brennstoffkassette nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Anreicherung im oberen Bereich der Brenn stoffkassette größer als die mittlere Anreicherung im unte ren Bereich der Brennstoffkassette ist.

8. Brennstoffkassette nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenze zwische dem oberen und dem unteren Bereich in dem Abschnitt zwischen ¹/₃ und ⁷/₁₂ der gesamten axialen Länge des effektiven Brennstofflängenabschnitts liegt, wenn das Unterende des effektiven Brennstofflängenabschnitts der Brennstoffkassette als Basispunkt festgelegt ist.