DE2040473A1

DE2040473A1 - Brennstoffanordnung fuer einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE2040473A1
Application number: DE19702040473
Authority: DE
Inventors: Smith Bart Alan; Venier Dominie Ambrose; Lass James Lloyd
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-08-15
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1971-06-16
Also published as: FR2058306A1; NL7011955A

Description

Prfenfanwälie

Dr.-Ing. Wilhelm- ßeichal Dipl-Ing. WoLVüiig ßeicliöl

6 FranKiui a M. 1
Parksiraßo 13

6388

GEIiERA-L ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., V.St.A.

Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf eine ■■Brennstoff anordnung für einen Kernreaktor mit mehreren Brennstoffstäben, die in . Abständen voneinander in Form einer Gruppe oder eines Bündels zwischen einer ersten Halterungsplatte und einer zweiten Halt erdungsplatte angeordnet sind, und mit einem das Brennstoff stabbündeljumgebenden an den Enden offenen Strömungskanal, der ein über ein Nasenstück zugeführtes Kühlmittel an den Brennstoffstäben entlang leitet.

Bei einer bekannten Art von Kernreaktoren, beispielsweise bei dem Dresden-Kernkraftwerk in der Nähe von Chicago, Illinois, ist der Reaktorkern oder der Spaltraum heterogen ausgebildet. Das bedeutet, daß im Spaltraum mehrere Brennstoff anordnungen in einer Gruppe vertikal angeordnet sind, so daß ein Spaltraum gebildet wird, in dem sich die Kernspaltungsreaktion selbständig unterhalt. Der Spaltraum befindet sich in einem Druckgefäß oder in einem Druckkessel , in dorn der Spaltraum in ein Arbeitsmedium eingetaucht ist, beiujjielaweise in Leichtes V/asser. Daa Leichte: Wasser dient; sowohl als 'Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator, Mehrere Steuer- oder Regelstäbe mit neutronenabsorbierendem Material können wahlweise zwischen die Brennstoffanordnungen

geschoben werden, um die Reaktivität des Spaltraumes zu steuern.

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■Jece Brennstoff anordnung enthält einen rohrform: .<:a:ial mit einer Gruppe von länglichen, platzierten Brennstoffelementen oaer Brennstoff stäben, die zv/ischor. einer co er-er: u:^ unteren Halterungsplatte angeordnet sind. Die Brennstcffanordnungen sina in dem Druckgefäß zv/ischen einem oberen ;jpoltraumgitter und einer unteren -paltraumstützplbtte angeordnet. Die untere Halterungsplatte jeder Brennstoffanoranung v;ei:r: ein LTa a ens tück auf, das sich in die untere i>paltraumstütz~ platte einsetzt und durch eine öffnung in dieser rlatte hin-Qurchragt;, um sich in eine Zufuhrkammer für ein unter Druck stehendes Kühlmittel zu erstrecken. Das Liasenstück v/eist öffnungenauf, durch die das Kühlmittel nach oben in die Strömungskanäle strömt, um Wärme von den Brennstoffelementen abzuführen. Bine Brennstoffanordnung dieser i.rt ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 350 275 besenrieben. Bei den heutigen Kernreaktoren befinden sich in aem :jpaltrauni auch Meßinstrumente, beispielsweise Keutronenaetektorer:, die in Behältern aufbewahrt sind, aie in den bäumen zv/ischen den Brennstoffanordnungen angeordnet sind.

Bei einem Siedewasserreaktor wird die V/arme von den Brennstoff über die Brennstoffstaoplattierung sum Wasser übertragen, das zv/ischen den Brennstoffstäben nach oben strömt. In einer gewissen Höhe erreicht das stromende V/asser seine Battigungstemperatur, so daß sich zunehmende Anteile aes Wassers über dieser Stelle in der Dampfphase befinden. Im allgemeinen ist der Wärmeübertragungskceffizient zv/ischen der Brennstoffstabplattierung oder dem Brennstoffstabüberzug und dem Wasser im wesentlichen konstant. \\'enn jedoch der V/ärmc-strom um ein beachtliches Maß zunimmt, wird ein ^ehwellwert erreicht, bei dem der Wärmeübertragungskoeffizient plötzlich um einen faktor von 5 bis 10 abnimmt. Der Warmescrom, der an der Grenze zwischen dem Kernsieden und dem Film- oder Dünnschichtsieden auftritt, wird kritischer Wärmestrom genannt.

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lie'i der Kor;3trul:tion von Siedewasserreaktoren ist die Beziehung .T.vioehen der Kühlmittelströmung durch die Brennstoff anordnung innerhalb der Strömungskanäle und der Kühlmittelparallelstr'3r.ran2 durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffanordnungen £>ußerhalb der Strömungskanäle von Bedeutung. Einer- ιΐίΖΑ,ζ ist es erwünscht, die Kühlmitteiströmung innerhalb der o^rörrungskanäle so groß wie abglich zu machen, damiu auch aer kritische Y/ärmestrom möglichst groß ist. Andererseits ist es notwendig, eine begrenzte Kühlmittelprallelströmung aufrechtzuerhalten, u™ zu verhindern, daß sich Kühlmittelstauungen und Zfcmpfblasen bilden. Ferner müssen die llegelstäbe und die innerhalb des 3paltraumes angeordneten Keßgeräte, die sich in den iiäur.en zwischen den Brennstoffanordnung-Strömungskanälen erstrecken, hinreichend gekühlt werden. Bei einer vorgegebenen Geΰarrüströmung durch den üpaltraum muß man daher zwischen der Jtrö:.-.ung durch die iitrömungskanäle und der Prallel- oder Leck-

ü'jrör-uiig ein gev/isses Gleichgewicht aufrechterhalten, aas zum einen einen genügenden Abstand von dem kritischen V/ärmestrom

garantiert und zum anderen der Ausbildung von übermäßig großen Darcpfblasen außerhalb der Strömungskanäle entgegenwirkt.

Bei den herkömmlichen Anordnungen wird eine Steuerung der Parallelströmung dadurch erreicht, daß man zwischen dem 3"CrDn:ung3kanal und der unteren Halterungsplatte eine gewisse !!enge der Kühlmittelströmung als Leckströmung austreten läßt. Der Strömungskanal ist an der Brennstoffstabanordnung nicht, fest angebracht, sondern bildet mit der oberen und unteren Halterungsplatte einen Schiebe- oder Gleitsitz, so daß der Strömungskanal zum Erneuen oder nachsehen der Brennstoff-'stäbe und zum Überwachen der BrennstofSstabanordhung leicht abgenommen werden kann. Damit der Platzbedsrf so gering v/ie möglich ist und eine minimale parasitäre Neutronenabsorption auftritt, ist der Strömungskanal aus einem verhältnismäßig dünnwandigen Material hergestellt. \}enn nun zum Erhöhen der Kühlmittelströnung durch die Brennstoffanordnungen der auf iöö Kühlmittel von der unteren Halterungsplatte nach außen

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weg, so daß die Leckströmung einen übermäßig hohen Wert annimmt, Dadurch entsteht die Gefahr, daß den Brennstoffanordnungen eine zu große Menge der Kühlmittelströmung entzogen wird. Die herkömmlichen Anordnungen zum Steuern der Kühlmittelleckströmung sind daher für die heutigen Kernreaktoren, die mit höheren Leistungsdichten, größeren Dampfmengen und geringeren thermischen Grenzen arbeiten, unzureichend. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine bessere und genauere Einstellung oder Steuerung der Kühlmittelprallelströmung vorzunehmen. Dabei soll die Prallel- oder Leckströmung einen etwa konstanten !Prozentsatz der gesamten Kühlmittelströmung ausmachen, die durch den Spaltraum fließt. Gleichzeitig soll dabei jedoch das Abnehmen und Aufbringen des Strömungskanals nicht erschwert werden.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Brennstoffanordnung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die zweite Halterungsplatte an einer Stützeinrichtung des ITasenstücks abnehmbar anliegt und daß das an das Nasenstüclijangrenzende Ende des Strömungskanals an dem Nasenstück dauerhaft befestigt ist, um ein Wegbiegen des Strömungskanals von dem Nasenstück zu verhindern und damit die Leckströmung zwischen diesen Teilen zu begrenzen oder zu unterbinden.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Anordnungen ist also das Nasenstück ein von der zweiten Halterungsplatte getrenntes Teil. Vorzugsweise sind in dem Nasenstück und bzw. oder in dem unteren Abschnitt des Strömungskanals Durchtrittsöffnungen für die Kühlmittelparallelströmung vorgesehen. Die beiden Halterungsplatten bilden vorzugsweise mit den Brennstoffotäben eine feste Einheit, die in den mit dem Nasenotück festverbundenen Strömungskanal einsetzbar iat.

Bevorzugtet Ausführungsbeispiel der Erfindung werden anhand von figuren beschrieben.

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I¹IgUr 1 ist eine schematische Darstellung eines Kernreaktor-* Dampferzeugers.

Figur 2 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Brennstoffanordnung.

Figur 3 ist eine Teilansicht im Schnitt der in Figur 2 dargestellten Brennstoffanordnung.

Figur■4 ist eine grafische Darstellung, die den technischen Fortschritt der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik darlegt.

Die Erfindung wird anhand eines wassergekühlten und moderierten Kernreaktors beschrieben, der beispielsweise den in Figur 1 aargestellten Aufbau haben kann. Ein solcher Reaktor weist einen Druckkessel oder ein Druckgefäß 10 auf, das den nuklearen ■'Kernreaktionsspaltraum 11 enthält, der in ein Kühlmittel gebaucht ist, beispielsweise in Leichtes Wasser. Der Reaktorkern oder Spaltraum 11.ist mit einem ringförmigen Mantel umgeben. Der Spaltraum 11 enthält mehrere austauschbare Brennstoffanordnungen 13» die in Abständen voneinander innerhalb des Kessels 10 zwischen einem oberen Spaltraumgitter -14 und einer unteren Spaltraumstützplatte 16 angeordnet sind. Jede Brennst off anordnung weist ein Nasenstück 17, auf, da S^-; sin einen otützsockel in der Stützplatte 16 eingreift. Das Ende des Nasenstücks ragt durch die Stückplatte 16 hindurch und weist Öffnungen auf, die eine Verbindung zu einer Kühlmittelvzufuhrkammer 19 herstellen. Eine Kühlmittelumlaufpumpe 18 drückt das Kühlmittel in die Zufuhrkammer 19, von der aus das Kühlmittel durch die Offnungen den Nasenstüeks 17 nach oben durch üie Brennstoffanordnungen getrieben wird. Dabei wird.ein Teil aea Kühlmittels in Dampf umgesetzt, der über eine Abscheide-Trockon-Einrichtung 20 einer Ijutzungs- oder Verwertungsvorrichtung zugeführt wird, beispielsweise einer Turbine 21.

Das in einem Kondensationsapparat oder Kondensator 22 ge-

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bildete Kondensat wird, durch eine Pumpe 23 aL; Speisewasser zum Gefäß oder Kessel 10 zurückgeführt. I'lehrere ?„o~el- oder Steuerstäbe 24 können wahlweise zwischen die Brennst offanordnungen 13 geschoben werden,um die 2eaktivität des Spaltraum as zu steuern oder zu regeln, /erner sind zwischen den Brennstoffanordnungen nehrere Instrunenten- oder i:e2gerätebehälter 15 angeordnet, die Keutronendetektoren enthalten, um den Leistungspegel der Spaltzone oder des Spaltrauaes zu überwachen und anzuzeigen. Ua einen Stau des Kühlmittels in den Raunen 25 zwischsn den Brennstoffanordnungen zu vermeiden, gestattet man, daß ein Teil der Kühlmittelströme (in der Größenordnung von 5-6 ?ί) in jeder Brennstoffanordnung als Parallel- oder Leckströmung in die benachbarten Zwischenräume 25 austritt. Bei den herkömmlichen bekannten Anordnungen tritt diese Paralie!strömung zwischen der unteren Ilalterungsplatte und dem Ötröungskanal der Brennstoffanordnung aus. Diese bekannten Anordnungen können die Anforderungen, die heute an Hochleistungsreaktoren gestellt werden, nicht erfüllen.

Line Brennstoffanordnung 13, die nach der Erfindung eine genaue Steuerung oder Einstellung der Kühlmittelparallelströmung vornimmt, ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die gezeigte Brennstoffanordnung 13 enthält mehrere länglich ausgebildete Brennstoffatäbe 26, die zwischen einer unteren Halterungßplatte 27 und einer oberen gerippten Halterungsplatte 28 angeordnet sind, die Brennstoffstäbe 26 laufen durch mehrere Abstandshalter 29, die für die Brennatoffstäbe eine Zwischenhalt erung bilden um die länglich ausgebildeten Stäbe in einem Abstand voneinander zu halten und um seitliche schwingungen oder Vibrationen zu verhindern.

Jeder Brennstoffstab 26 enthält ein länglichem Rohr mit spaltbarem Brennstoff in ?or:n von Tabletten, Kugeln, teilchen, Pulver oder dergleichen. Das Kohr ίί'Λ mit einem oberen und mit einem unteren Abschlußstüek 30 und 3", .... -lachte t. Die unteren Abschlußstücke 31 sind kegelförmig ausgebildet, ..;c uß sie C|.:,i

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genau ausgerichtet in Stützöffnungen 32 einsetzen können, die in der unteren Halterungsplatte 27 vorgesehen sind. Die oberen Abschlußstücke 30. v/eis en Ansätze 33 auf, die in Kalterungs-.-Öffnungen 34°in der oberen Halterungsplatte 28 eingreifen.

Einige der Stütz- oder Halterungsoffnungen 32 in der unteren Halterungsplatte; 27, beispielsweise ausgewählte Öffnungen 32' am Plattenrand, sind mit einem Gewinde versehen, um einen Brennstoffstab aufnehmen zu können, der an seinem unteren Abschlußstück 31 ebenfalls ein Gewinde trägt. Die Ansätze 33 an den oberen iibschluSstücken 30 der selben Brennstoffstäbe sind derart verlängert, daß. sie durch die Öffnungen in der oberen Halterungsplatte 263 ragen_rund sind mit einem Gewinde versehen, um BefestigungSTiiuttern 35 mit einem Innengewinde aufzunehmen, .auf diese ',ieise sind die obere und die untere Halterungsplatte sowie die Brennstoffstäbe zu einem einheitlichen 'Gebilde zusammengefügt. Die Brennstoffanordnung 13 enthält weiterhin einen dünnwandigen rohrförmigen Strömungskanal 36 mit einem rechteckigen oder etwa quatratischen Querschnitt. Der Strömungskanal 56 weist solche Abmessungenauf, daß er mit der oberen und unteren Halterungsplatte 27 und 28 und den Abstandshaltern 29 einen Gleit- oder Schiebesitz bildet, so daß das Brennstoffstabbündel leicht eingesetzt und herausgenommen werden kann.

Weiterhin enthält die Brennstoffanordnung 13 das bereits erwähnte Nasens tu ck if, das die-Brennstoffanordnung'-in einem Sockel in der Stützplatte 16 (Figur 1) haltert. Das untere Ende des ITasenstüCiis 17 weist Öffnungen 39 auf, in die das unter Druck stehende Kühlmittel eintritt. Von dort strömt das Kühlmittel längs der Brennstoffstäbe nach oben. Bei den herkömmlichen .„ncrdnunger. sind aas a&senstück 17 und die untere Halterungsplatte 27 einstückig ausgebildet. Bei der Anordnung nach der Erfindung ist das Hasenstuck 17 von der unteren Halterungsplatte 27 getrennt» Zum Abstützen der unteren Halterungsplatte 27 v/eist das Essenstück mehrere Ansätze 40 auf. In jeder der vier Ecken des Rasenstücks kann beispielsweise einjsoleher

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Ansatz 40 vorgesehen sein. Zur Ausrichtung der unteren Halterungsplatte 27 Kit dem Nasenstück'17 weisen zwei oder mehrere der Ansätze 40 Öffnungen 42 auf, in die Verlängerungsstücke der unteren Abschlußstücke 31 von entsprechenden Brennstoffstäben r

Zum Einstellen und Steuern der Parallel- oder Leckströmung ist nach der Erfindung der Strömungskanal 36 dauerhaft an dem Nasenstück 17 befestigt. Die Befestigung kann durch Nieten 43 und bzw. oder durch eine Schweißverbindung 44 oder andere geeignete Maßnahmen vorgenommen werden. In jedem Falle wird infolge dieser Befestigung die zwischen dem Strömungskanal 36 und dem Nasenstück 17 austretende Leckströmung unterbunden oder wirkungsvoll begrenzt.

Infolge dieser durch Befestigung des Strömungskanals an dem Nasenstück hervorgerufenen Unterbindung oder Begrenzung der Leckströmung kann es notwendig sein, daß andere Durchtritteöffnungen für die Parallele-trömung vorgesehen werden müssen. Zu diesem Zweck können Strömungsdurchtrittsöffnungen 45 in dem Nasenstück 17 und bzw. oder Strömungsdurchtrittsöffnungen 46 in dem Strömungskanal-36 vorgesehen sein.

Die Wirksamkeit der Erfindung ist in Figur 4 grafisch dargestellt. Dabei wird die· Einstellung oder Steuerung der Strömung durch die erfindungsgemäße Anordnung mit üblichen Anordnungen verglichen, deren Steuer- oder Einstellwirkungen lediglich auf einem vorbestimmten Sitz oder einer vorbestimmten Passung zwischen dem Strömungskanal 36 und. der unteren Halterungsplatte 27 beruhen. Die ausgezogenen Kurven zeigen das Verhalten der erfindungsgemäßen und herkömmlichen Brennstoffanordnungen am Anfang der Lebensdauer. Die unterbrochenen Kurven zeigen das Verhalten am Ende der Lebensdauer, also nach einigen Jahren Betriebsdauer der Brennstoffanordnungen in dem Reaktorspaltraum. Bei den herkömmlichen Anordnungen nimmt die Leckströmung in Abhängigkeit von der Lebensdauer um mehr als 1/3 zu. Bei der erfindungsgeraäßen Anordnung ändert sich hingegen

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aer Anxeil der Lecks tr ö'mung in. Abhängigkeit von der Lebensdauer fast überhaupt nicht, wenn der Strömungskanal 3o sn dee- 2Τ^ώΰη^':ί1ο1·: 17 angenietet ist. Außerdem tritt bei der erfinäun.-isgenjäßen Anordnung nahezu keine Leckströmungsänderung in abhängigkeit von Kühlmittelströmungsänderungen auf. Weiterhin bleibt bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Vorteil erhalten, daß das Brennstoffstabbündel leicht in den btrömungskanal 36 eingesetzt oder herausgenommen werden

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Claims

1 .^rennstoff anordnung für einen 'Lernreaktor ™it ::;3r.r«rü.'i Brannstoffsti-ben, die in A "but and er: voneinander in ?ora einer Gruppe oder eines Bündels zwischen einer ersten h'ulterungsplatte und einer zweiten Kaiterungsplatte angeordnet üin^, und mit einen das Brennstoffstabbündel ungeber.den, an ion Eiaden offenen Ütröaungskanal, der ein über ein lioscnstück zugeführtes Kühlmittel an den Brennstoffstäben enxlangilsitet, dadurch gekennzeichnet,

daß aie zweite Halterungsplatte (27) an ütützeir.richtungen (40) des Nasenstücks (17) abnehmbar anliegt und daß aae an das Rasenstück angrenzende i]ndo aes Strö:nungskanalD (3^r3) an de?. Xasenstücl·: dauerhaft befestigt ist, um ein V;egbiegen des ütrörnungskanalo von dea liasenstück zu verhindern und damit die Kühlrr.ittelleckströTiung zwischen diesen Teilen zu begrenzen oder au unterbinden.

2. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch geke'n nz e i c h η e t ,

daß in dem Nasenstüclc (17) mindestens eine Durchtrittsöffnung (4-5) vorgesehen ist, durch die ein Teil des Kühlmittels als ParallelströHiung nach außen strötat.

3. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dera Strötaungskanal (36) mindestens eine Durchtrittsöffnung (46) vorgesehen ist, durch die ein Teil des Kühlmittels als Parallelströnung nach aiiSen tritt.

4. Brennstoffanordnung nach einen der vors Lehendun Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der ütröaungskanal (36) an dem Rasenstück (17) ei it I.'ieton (4-3) befestigt ist.

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p. Brennstoffanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, α & α u r c h gekennzeichnet,

...c-öii dor 3trör/uiijokuaal (36) an dem IJasenstüek (17) angesc:'.'.·<ei3t ist;.

o. 3re:inotoffanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ,gekennzeichnet,

daß die Brennstoffstäbe (26) Abschlußstüeke (31) aufweisen, die in die zweite Halterungsplatte (27) eingreifen, und daß :.;ir.dec*jen3 einige Abschlußstüeke Verlängerungen aufweis en, aie durch die zweite Halterungsplatte hindurch bis in die oüütztiinrichtung (40) des iiasenstücks (17) ragen, um die zweite Kslterungsplatte crit der Stützeinrichtung auszurichten.

7. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor mit mehreren Brennstoff stäben j die in Abständen voneinander in For in. einer Gruppe oder eines Bündels zwischen einer ersten Halterungsplatte und einer zweiten Halterungsplatte angeordnet sind, und rail eines das Brennstoffstabbündel umgebenden, an den ■ Zncen offenen StrÖinungskanal, der ein über ein Rasenstück zugeführtes Kühlmittel an den Brennstoffstäben entlang leitet, dadurch gekennzeichnet,

daß Befestigungseinrichtungen (32*, 35) die Brennstoffstäbe (26) und die beiden Halterungsplatten (27.! *28) zu einem einheitlichen Brennstoffstabbündel zusammenfügen, das in den atrön-ungskanal (36) eingesetzt ist,- und daß das IJasenstück, (17), das Ströniuilgsöffnungen zum Eintritt des Kühlmittels in den Ströraungskanal aufweist, an dem einen Ende des Strö'nungskanals fest angebracht ist, ua ein V/egbiegeii des Strömungskanals ' von dem Kasenstück zu verhindern.

8. 3renn.it off anordnung nach Anspruch 7?

dadurch gekennzeichnet),

daß das Ifesenstück (17) Stützeinrichtungen (40) aufweist} Sie das Brennstoffstabbündel (26, 27, 28) trggen.

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9. Brennstoffanordnung nach Anspruch 7 oder "8, dadurch g.-ekennzeichnet, daß in dem Rasenstück (17) mindestens eine Durchtrittsöffnung (45) für eine nach außenströmende Kühlmittelparallelströmung vorgesehen ist.

10. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungskanal (3ό) mindestens eine Durchtrittsöffnung (46) für eine nach außen strömende Kühlmittelparallelströmung vorgesehen ist.

11. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der otrömungskanal (36) an dem Rasenstück (17) angenietet

12. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch geke nnzeichnet, daß der Strömungskanal (36) an dem Nasenstück (17) angeschweißt ist.

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