DE29520871U1

DE29520871U1 - Fuel assembly with a modular structure for a nuclear reactor

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Publication number: DE29520871U1
Application number: DE29520871U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2005-09-19
Also published as: TW303470B; WO1996010828A1

Description

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BeschreibungDescription

Brennelement mit einem modularen Aufbau für einen KernreaktorFuel element with a modular structure for a nuclear reactor

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für Kernreaktoren mit einem von Abstandhaltern zusammengehaltenen Bündel von Brennstäben, das zwischen je einem Endstück im Kopf und Fuß des Brennelements angeordnet ist.The invention relates to a fuel element for nuclear reactors with a bundle of fuel rods held together by spacers, which is arranged between an end piece in the head and foot of the fuel element.

Bei Druckwasserreaktoren werden die Endstücke von seitlich offenen Rahmen gebildet, die eine Bodenplatte bzw. Deckplatte mit Durchtrittsöffnungen für den Kühlmittelstrom tragen, der entlang der Brennstäbe geführt wird. Die beiden Endstücke eines Brennelementes sind an den Enden von Führungsrohren befestigt, in die von Antrieben, die ebenfalls am Reaktoraufbau angebracht sind, Steuerstäbe eingeführt werden und deren Position dadurch ebenfalls festgelegt sind. An den Führungsrohren sind außerdem gitterförmige Abstandhalter befestigt, die die Brennstäbe zu Bündeln zusammenfassen und ihren seitlichen Abstand festlegen. Zumindest einige dieser Abstandhalter tragen Stützelemente (z.B. Noppen und Federn) um die in den Maschen der Gitter sitzenden Brennstäbe seitlich abzustützen; außer solchen Stützgittern können aber auch Mischgitter verwendet .werden, die lediglich einen Mindestabstand der Brennstäbe festlegen, im übrigen aber Strömungsleitflächen oder andere Mischelemente tragen, um durch Verwirbeln und Mischen des Kühlmittels dessen Kühlwirkung zu erhöhen.In pressurized water reactors, the end pieces are formed by frames that are open at the sides and that support a base plate or cover plate with openings for the coolant flow that is guided along the fuel rods. The two end pieces of a fuel element are attached to the ends of guide tubes into which control rods are inserted by drives that are also attached to the reactor structure, and whose position is also determined by this. Grid-shaped spacers are also attached to the guide tubes, which combine the fuel rods into bundles and determine their lateral spacing. At least some of these spacers have support elements (e.g. knobs and springs) to laterally support the fuel rods sitting in the mesh of the grids; in addition to such support grids, mixing grids can also be used, which only specify a minimum distance between the fuel rods, but otherwise have flow guide surfaces or other mixing elements to increase the cooling effect of the coolant by swirling and mixing it.

Als Kühlmittel dient Wasser (Leichtwasser), das zusätzlich auch als Moderator benötigt wird, um aus den bei der Kernreaktion freiwerdenden energiereichen Neutronen, die für die Aufrechterhaltung der Kernreaktion notwendige Menge moderierter ("thermischer") Neutronen zu erzeugen. Im Reaktorkern wird bisher das Brennstoff-/Kühlmittel-Verhältnis meist als hinreichend homogen angesehen, da das Kühlmittel auf den Zwischenraum zwischen den Brennstäben der Brennelemente, den schmalen Spalt zwischen den Brennelementen selbst und das In-Water (light water) serves as the coolant, which is also required as a moderator in order to generate the amount of moderated (“thermal”) neutrons required to maintain the nuclear reaction from the high-energy neutrons released during the nuclear reaction. In the reactor core, the fuel/coolant ratio has so far been considered to be sufficiently homogeneous, since the coolant is distributed between the space between the fuel rods of the fuel elements, the narrow gap between the fuel elements themselves and the interior.

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nere der Führungsrohre (sofern es dort nicht durch Steuerstäbe verdrängt ist) verteilt ist.nere of the guide tubes (provided it is not displaced there by control rods).

Für Druckwasser-Brennelemente ist dabei die "Skelett-Bauweise" üblich, bei der die Endstücke, Führungsrohre und Abstandhalter das Tragskelett für die Halterung des Brennstab-Bündels bilden. In der EP-A 0 146 896 ist eine derartige Skelettbauweise beschrieben, bei der ein Teil der Abstandhalter als Teil-Mischgitter ausgebildet ist, da es sich nur über einen Teil des Brennelement-Querschnitts erstreckt, um die Kühlwirkung in besonders heißen Teilen des Brennelements zu erhöhen. Außerdem ist die Möglichkeit beschrieben, das Brennstab-Bündel aus Teilbündeln von Brennstäben verschiedener Dicke zusammenzusetzen, wobei jedes dieser Bündel Teil-Abstandhalter erfordert, deren Gittermaschen, der jeweiligen Größe der Brennstäbe angepaßt sind.For pressurized water fuel elements, the "skeleton construction" is common, in which the end pieces, guide tubes and spacers form the supporting skeleton for holding the fuel rod bundle. EP-A 0 146 896 describes such a skeleton construction, in which part of the spacers is designed as a partial mixing grid, since it only extends over part of the fuel element cross-section in order to increase the cooling effect in particularly hot parts of the fuel element. In addition, the possibility of assembling the fuel rod bundle from partial bundles of fuel rods of different thicknesses is described, with each of these bundles requiring partial spacers whose grid meshes are adapted to the respective size of the fuel rods.

Siedewasser-Brennelemente weichen von Druckwasser-Brennelementen insofern ab, als bei ihnen keine über den Brennelement-Querschnitt verteilte Steuerstäbe verwendet werden, vielmehr die vom Reaktoraufbau getragenen Steuerelemente in die wassergefüllten Spalte zwischen benachbarter Brennelementen eingeführt sind. Auch hier ist daher durch den Reaktoraufbau die Größe der Brennelemente bestimmt.Boiling water fuel elements differ from pressurized water fuel elements in that they do not use control rods distributed over the fuel element cross-section, but rather the control elements carried by the reactor structure are inserted into the water-filled gaps between adjacent fuel elements. Here too, the size of the fuel elements is therefore determined by the reactor structure.

Außerdem wird bei Siedewasser-Brennelementen das Kühlmittel in einem trichterförmigen Fußstück durch die Bodenplatte hindurch in das Innere eines Brennelement-Kastens geleitet, der das Brennstab-Bündel seitlich umgibt. An den Brennstäben verdampft das Kühlmittel weitgehend und wird als Wasser/Dampf-Gemisch durch die Deckplatte im Kopfstück abgeleitet. Meistens sind dabei Fußstück und Kopfstück durch "Tragstäbe" (d.h. mit ihren Enden an Bodenplatte und Deckplatte tragend befestigte Brennstäbe) miteinander verbunden, wobei diese Tragstäbe auch die Abstandhalter tragen. Bei dieser "integralen Bauweise" sind also Brennstäbe in die Tragstruktur des Brennelements integriert.In addition, in boiling water fuel elements, the coolant is led through the base plate in a funnel-shaped foot piece into the interior of a fuel element casing, which surrounds the side of the fuel rod bundle. The coolant largely evaporates on the fuel rods and is discharged as a water/steam mixture through the cover plate in the head piece. In most cases, the foot piece and head piece are connected to one another by "support rods" (i.e. fuel rods with their ends attached to the base plate and cover plate), whereby these support rods also carry the spacers. In this "integral design", fuel rods are therefore integrated into the support structure of the fuel element.

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In der üS-A-5,327,471 ist die Skelettbauweise der Druckwasser-Brennelemente auch auf Siedewasser-Brennelemente übertragen, wobei das Brennstabbündel auch "Wasserstäbe" enthält, die hinsichtlich einer gleichmäßigeren Verteilung des Moderators den Führungsrohren von Druckwasser-Brennelementen entsprechen. In den oberen Bereichen des Brennelements wird also durch die Spalte zwischen den Brennelementen und die Wasserstäbe im Inneren des Brennelements genügend flüssiges Wasser als Moderator bereitgestellt. Die Wasserstäbe dienen außerdem • als Rückgrat des die Brennstäbe tragenden Brennelementskeletts, das als Einsatz in den Brennelement-Kasten eingeführt werden kann.In üS-A-5,327,471, the skeleton design of the pressurized water fuel elements is also transferred to boiling water fuel elements, whereby the fuel rod bundle also contains "water rods" which, in terms of a more even distribution of the moderator, correspond to the guide tubes of pressurized water fuel elements. In the upper areas of the fuel element, sufficient liquid water is provided as a moderator through the gaps between the fuel elements and the water rods inside the fuel element. The water rods also serve as the backbone of the fuel element skeleton that supports the fuel rods and can be inserted into the fuel element casing as an insert.

In der US-A-4,499,047 sind auch Siedewasser-Brennelemente in "Köcherbauweise" beschrieben. Brennelement-Kasten, Kopfstück, Fußstück, am Kasten befestigte Abstandhalter und eine innere Stützstruktur, die als kreuzförmiger Wasserkanal ausgebildet ist, bilden dabei einen Köcher, in dem die. Brennstäbe einzeln eingesetzt oder herausgenommen werden.In US-A-4,499,047, boiling water fuel elements in a "quiver design" are also described. The fuel element box, head piece, foot piece, spacers attached to the box and an inner support structure, which is designed as a cross-shaped water channel, form a quiver in which the fuel rods are individually inserted or removed.

Je nachdem, wie weit die Brennelemente bereits abgebrannt sind, werden sie jeweils nach einem Betriebszyklus (z.B. oder 18 Monate) teilweise inspiziert (ggf. repariert) und an andere Positionen im Reaktorkern versetzt, teilweise gegen neue Brennelemente mit hoher Reaktivität ausgetauscht. Während beim Ersatz abgebrannter Brennelemente jeweils das Brennstab-Bündel als einheitliche Baugruppe ausgetauscht wird, kann es bei einem defekten Brennelement erforderlich werden, dessen Brennstäbe einzeln zu inspizieren und notfalls einzelne Brennstäbe auszuwechseln. Bei der Skelettbauweise sind die Brennstäbe für die Inspektion seitlich zugänglich; da die Integrität des Skelettes nicht beeinträchtigt wird, solange nur eines der Endstücke demontiert- wird, kann auch ein einzelner Brennstab in Richtung des demontierten Endstücks einfach ausgewechselt werden. Nach einem Betriebs-Depending on how far the fuel elements have already burned up, they are partially inspected (and repaired if necessary) and moved to other positions in the reactor core after an operating cycle (e.g. or 18 months), and partially replaced with new fuel elements with high reactivity. While the fuel rod bundle is replaced as a single assembly when replacing spent fuel elements, it may be necessary to inspect the fuel rods individually and, if necessary, replace individual fuel rods in the case of a defective fuel element. In the skeleton design, the fuel rods are accessible from the side for inspection; since the integrity of the skeleton is not impaired as long as only one of the end pieces is dismantled, a single fuel rod can also be easily replaced in the direction of the dismantled end piece. After an operating cycle

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zyklus muß also der Reaktor nur für kurze Zeit stillgelegt werden, um solche einfachen Manipulationen auszuführen.cycle, the reactor only needs to be shut down for a short time in order to carry out such simple manipulations.

Bei der Köcherbauweise dagegen müssen die Brennstäbe bereits zu ihrer Inspektion einzeln aus dem Köcher gezogen werden; anschließend können sie je nach ihrem Zustand an andere Positionen innerhalb des Brennelements gesetzt werden. Prinzipiell wäre es auch möglich, einzelne Brennstäbe mit Brennstäben aus anderen Brennelementen auszutauschen, jedoch müssen dann gleichzeitig mehrere Brennelemente geöffnet werden, so daß derartige· umfangreiche Manipulationen längere Betriebspausen des Reaktors erfordern und daher aus praktischen Gründen ausscheiden. Dies trifft auch für die integrale Bauweise zu, bei der der Austausch von Brennstäben eine Zerlegung der Tragstruktur erfordert.In the quiver design, however, the fuel rods must be individually pulled out of the quiver for inspection; they can then be placed in other positions within the fuel element depending on their condition. In principle, it would also be possible to replace individual fuel rods with fuel rods from other fuel elements, but then several fuel elements would have to be opened at the same time, so that such extensive manipulations require longer shutdowns of the reactor and are therefore not possible for practical reasons. This also applies to the integral design, where replacing fuel rods requires dismantling the support structure.

Eine gute Ausnutzung des Brennstoffs und ein wirtschaftlicher Betrieb läßt nicht nur eine räumlich hinreichend homogene Verteilung des Brennstoff/Moderator-Verhältnisses wünschenswert erscheinen, vielmehr wird auch angestrebt, die Reaktivität des Kerns, die sich während des Zyklus allmählich verbraucht, zeitlich hinreichend konstant zu halten. Frische Brennelemente mit unverbrauchter Reaktivität werden daher mit "abbrennbaren Neutronengiften" versehen, d.h. mit Absorbern (z.B. Gadolinium), die durch Kernumwandlung einen Teil der thermischen Neutronen absorbieren, sich aber dabei so verbrauchen, daß ihre Absorption am Ende eines Betriebszyklus nur noch gering ist. Dadurch kann die Abnahme der Reaktivität des Kerns und vor allem die Überschußreaktivität frischen Brennstoffs weitgehend kompensiert werden. Allerdings kann bereits die Beschaffung der abbrennbaren Gifte Schwierigkeiten bereiten und deren Absorption verbraucht sich auch nicht vollständig, vielmehr besitzen die dabei auftretenden Stoffe noch eine Restabsorption, die die Ausbeute an thermischen Neutronen verringert.Good utilization of the fuel and economical operation not only make a spatially sufficiently homogeneous distribution of the fuel/moderator ratio desirable, but also the aim is to keep the reactivity of the core, which is gradually used up during the cycle, sufficiently constant over time. Fresh fuel elements with unused reactivity are therefore provided with "burnable neutron poisons", i.e. absorbers (e.g. gadolinium) that absorb some of the thermal neutrons through nuclear transformation, but are used up in the process so that their absorption is only low at the end of an operating cycle. This can largely compensate for the decrease in the reactivity of the core and, above all, the excess reactivity of fresh fuel. However, even the procurement of the burnable poisons can cause difficulties and their absorption is not completely used up; rather, the substances that arise still have a residual absorption that reduces the yield of thermal neutrons.

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Wird also im Interesse einer höheren Wirtschaftlichkeit die Anreicherung des Brennstoffs, d.h. dessen nutzbarer Energieinhalt (sog. "Abbrand") gesteigert, so müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um die Überschußreaktivität des frisehen Brennstoffs zu kompensieren.If the enrichment of the fuel, i.e. its usable energy content (so-called "burn-up") is increased in the interest of greater economic efficiency, special measures must be taken to compensate for the excess reactivity of the fresh fuel.

Um im Reaktorkern eine wünschenswerte mittlere Reaktivität aufrechtzuerhalten, werden nach jedem Betriebszyklus Beladepläne aufgestellt, nach denen wie die Steine eines Mosaiks solche frischen, teilweise vergifteten Brennelemente und Brennelemente; die erst teilweise abgebrannt und der alten Beladung des Kerns entnommen sind, über den Reaktorkern verteilt werden. Die Größe dieser "Mosaiksteine" ist dabei durch die vom Reaktoraufbau vorgegebene Größe der Brennelemente bestimmt, Die zum Versetzen der Brennelemente nötige Betriebspause des Reaktors beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit des Reaktors, so daß möglichst große "Mosaiksteine", d.h. eine Aufteilung der Brennstäbe in möglichst große, jeweils durch ein Brennelement zusammengefaßte Bündel, wünschenswert ist.In order to maintain a desirable average reactivity in the reactor core, loading plans are drawn up after each operating cycle, according to which fresh, partially poisoned fuel elements and fuel elements that have only partially burned up and are removed from the old core load are distributed over the reactor core like the stones of a mosaic. The size of these "mosaic stones" is determined by the size of the fuel elements specified by the reactor design. The downtime of the reactor required to move the fuel elements impairs the economic efficiency of the reactor, so that the largest possible "mosaic stones" - i.e. a division of the fuel rods into the largest possible bundles, each grouped together by a fuel element - is desirable.

Wird andererseits an einem Brennelement ein Brennstabschaden vermutet, so müssen alle Brennstäbe dieses Brennelements inspiziert werden, so daß es nicht sinnvoll ist, eine zu große Zahl von Brennstäben in einem einzelnen Brennelement zu bündeln. Die bisherige Größe der Brennelemente entspricht ungefähr einer Optimierung dieser Forderungen.On the other hand, if a fuel rod is suspected to be damaged, all of the fuel rods in that fuel element must be inspected, so it does not make sense to bundle too many fuel rods into a single fuel element. The current size of the fuel elements roughly corresponds to an optimization of these requirements.

Wie bereits erwähnt wurde, kann die Größe der Brennelemente nur durch eine Änderung an den Aufbauten des Kernes (dem Deckel des Reaktor-Druckbehälters, an dem die Antriebe der Steuerelemente sitzen; den Führungen der Steuerelemente; den Gitterplatten und Gerüsten, die die Brennelemente tragen; sowie im Brennelementlager des Reaktors) verändert werden. Solche Änderungen sind äußerst aufwendig - schon allein, weil die Masse der dabei anfallenden ersetzten Bauteile und anderem Abfall schwer endzulagern ist.As already mentioned, the size of the fuel elements can only be changed by changing the structures of the core (the lid of the reactor pressure vessel, on which the drives of the control elements are located; the guides of the control elements; the lattice plates and frames that support the fuel elements; and in the fuel element storage area of the reactor). Such changes are extremely complex - if only because the mass of the replaced components and other waste that arises is difficult to dispose of permanently.

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Berechnungen haben gezeigt, daß auch für einzelne Brennelemente mit frischem, stark angereichertem Brennstoff eine mittlere Reaktivität mit wenig oder ohne abbrennbarem Neutronengift erreicht werden kann, wenn frische Brennstäbe mit weitgehend abgebrannten Brennstäben, kombiniert werden. Die Brennstoffverteilung im Kern würde dann ein Mosaik aus lauter kleinen Steinen darstellen, wobei ein kleiner Mosaikstein jeweils einem Brennstab entspricht. Derartige, die einzelnen Brennstäbe erfassende Beladepläne können zwar errechnet werden, ihre Durchführung erfordert aber eine große Anzahl von Manipulationen und unverhältnismäßig lange Betriebspausen, die den Reaktorbetrieb unwirtschaftlich machen.Calculations have shown that even for individual fuel elements with fresh, highly enriched fuel, a medium reactivity with little or no burnable neutron poison can be achieved if fresh fuel rods are combined with largely spent fuel rods. The fuel distribution in the core would then be a mosaic of small pieces, with each small piece corresponding to a fuel rod. Such loading plans, which cover the individual fuel rods, can be calculated, but their implementation requires a large number of manipulations and disproportionately long downtimes, which make reactor operation uneconomical.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Brennstäbe eines Kernreaktors derart in Brennstab-Bündel bzw. Brennelemente zu zerlegen, daß ohne Änderung am Reaktoraufbau und ohne übermäßig viele Manipulationen an den Brennstäben und lange Betriebspausen eine flexible, den jeweiligen Wünschen angepaßte Verteilung des Brennstoffs über den Querschnitt des Reaktorkerns möglich ist. Die Erfindung schafft daher ein Brennelement, das als einheitliche Baugruppe gehandhabt werden kann, z.B. um es aus dem Reaktorkern herauszuheben und in entsprechende Arbeitsstationen zu transportieren. Das Brennelement ist aber in modularer Weise aus mehreren Teilbündeln 5 zusammengesetzt, wobei jedes Teilbündel in einem Modul zusammengehalten ist und daher ein zusammenhängendes Bauteil bildet. Zur Einstellung der gewünschten mittleren Anreicherung eines bestimmten Brennelements werden also unterschiedlich angereicherte bzw. abgebrannte Teilbündel zum Brennelement zusammengestellt. So können Module mit frischen, hoch angereicherten Teilbündeln mit komplementären Modulen aus teilweisen abgebrannten Brennelementen zu neuen Brennelementen zusammengesetzt werden, deren Anreicherung in engen Grenzen jeweils dem Wert entspricht, der für die Position, die das entsprechende Brennelement im nächsten Zyklus im Kern einnehmen soll, notwendig ist.The invention is therefore based on the task of breaking down the fuel rods of a nuclear reactor into fuel rod bundles or fuel elements in such a way that a flexible distribution of the fuel over the cross-section of the reactor core, adapted to the respective requirements, is possible without changing the reactor structure and without excessive manipulation of the fuel rods and long operational breaks. The invention therefore creates a fuel element that can be handled as a single assembly, e.g. to lift it out of the reactor core and transport it to the appropriate work stations. The fuel element is, however, made up of several sub-bundles 5 in a modular manner, with each sub-bundle being held together in a module and therefore forming a coherent component. In order to set the desired average enrichment of a specific fuel element, differently enriched or spent sub-bundles are put together to form the fuel element. In this way, modules with fresh, highly enriched sub-bundles can be combined with complementary modules made from partially spent fuel elements to form new fuel elements, the enrichment of which, within narrow limits, corresponds to the value required for the position that the corresponding fuel element is to occupy in the core in the next cycle.

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Für diese Aufteilung in Teilbündel sind insbesondere im Hinblick auf einen Druckwasserreaktor die Aufteilung in ringförmige Bündel nach dem "Herdplattenprinzip", die Vierteilung des quadratischen Brennelementquerschnitts in quadratische Teilbündel und die Aufteilung in ein zentrales Bündel und einen (oder mehrere) Ringe, die jeweils aus winkelförmigen Modulen zusammengesetzt sind, sinnvoll.For this division into sub-bundles, particularly with regard to a pressurized water reactor, the division into ring-shaped bundles according to the "hotplate principle", the division of the square fuel element cross-section into square sub-bundles and the division into a central bundle and one (or more) rings, each of which is composed of angular modules, make sense.

Die Erfindung sieht daher in einer ersten Ausführungsform ein Brennelement vor, das je ein Endstück im Fuß und im Kopf des Brennelements sowie ein dazwischen angeordnetes Bündel aus Stäben besitzt, die teilweise z.B. als Steuerstab-Führungsrohre oder Wasserrohre ausgebildet sein können, überwiegend aber als Brennstäbe ausgebildet sind. Zwischen Kopf und Fuß sind Abstandhalter an einer Tragstruktur des Brennelements {z.B. den Steuerstab-Führungsrohren oder Wasserrohren) in vertikalem Abstand voneinander befestigt und halten die Stäbe in Positionen, die in der jeweiligen Abstandhalter-Ebene praktisch gleichmäßig über den Querschnitt des Brennelements verteilt sind. Gemäß der Erfindung bilden einige Stäbe des Bündels ein um die Brennelement-Achse herum angeordnetes zentrales Teilbündel, das auf allen Seiten von den restlichen Stäben des Bündels umgeben ist. Die Stäbe des Bündels sitzen in jeder Abstandhalter-Ebene in den Maschen eines zentralen Teil-Abstandhalters, der von den restlichen Teilen des entsprechenden Abstandhalters unabhängig ist. Dieses zentrale Teilbündel, der zentrale Teil-Abstandhalter und eine entsprechende Tragstruktur zu dessen Halterung ("Modul-Tragstruktur") bilden ein zentrales Modul, das als ein zusammenhängendes Bauteil aus dem Brennelement entfernt werden kann. Außer diesem zentralen Modul enthält das Brennelement also noch andere Teile, z.B. die anderen Brennstäben und deren Teil-Abstandhalter mit den entsprechenden Tragelementen, die Endstücke im Kopf und Fuß des Brennelements oder zumindest entsprechende Teil-Endstücke, sowie ggf. einen Brennelementkasten. Das zentrale Modul ist mit diesen restlichen Teilen des Brennelements so zusammengesetzt, daß alle Teile des Brenn-The invention therefore provides, in a first embodiment, a fuel element which has an end piece in the base and in the head of the fuel element and a bundle of rods arranged between them, some of which can be designed as control rod guide tubes or water tubes, for example, but are predominantly designed as fuel rods. Between the head and the base, spacers are attached to a support structure of the fuel element (e.g. the control rod guide tubes or water tubes) at a vertical distance from one another and hold the rods in positions which are distributed practically evenly over the cross-section of the fuel element in the respective spacer plane. According to the invention, some of the rods of the bundle form a central sub-bundle arranged around the fuel element axis, which is surrounded on all sides by the remaining rods of the bundle. The rods of the bundle sit in each spacer plane in the meshes of a central sub-spacer which is independent of the remaining parts of the corresponding spacer. This central sub-bundle, the central sub-spacer and a corresponding support structure for holding it ("module support structure") form a central module that can be removed from the fuel element as a single, coherent component. In addition to this central module, the fuel element also contains other parts, e.g. the other fuel rods and their sub-spacers with the corresponding support elements, the end pieces in the head and foot of the fuel element or at least corresponding sub-end pieces, and possibly a fuel element box. The central module is assembled with these remaining parts of the fuel element in such a way that all parts of the fuel element

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elements gemeinsam als zusammenhängende Baugruppe im Kern des Kernreaktors einsetzbar und entfernbar sind. Dabei kann dieses zentrale Modul in das Brennelement mindestens in vier unterschiedlichen Positionen bezüglich der restlichen Teile des Brennelements eingesetzt werden.elements can be inserted and removed together as a coherent assembly in the core of the nuclear reactor. This central module can be inserted into the fuel element in at least four different positions in relation to the remaining parts of the fuel element.

Soweit die Erfindung einen Reaktor mit Steuerstäben betrifft, die in Steuerstabs-Führungsrohre von Brennelementen eingeführt werden, sieht die Erfindung auch ein Brennelement vor mit jeweils einem Endstück im Kopf und Fuß des Brennelements und einem dazwischen angeordneten Bündel aus Brennstäben gleichen Durchmessers und Führungsrohren, sowie mit mehreren zwischen Kopf und Fuß mit vertikalem Abstand voneinander an den Führungsrohren gehaltenen Abstandhaltern, die die Brennstäbe und Führungsrohre in praktisch gleichmäßig über den Querschnitt des Brennelements verteilten Positionen halten. Die Brennstäbe und Führungsrohre des Bündels sind dabei in Teilbündel aufgeteilt und die Abstandhalter bestehen aus Teil-Abstandhaltern, die den Brennstäben der Teilbündel ent-0 sprechen. Jeweils ein Teilbündel und zumindest seine Teil-Abstandhalter (vorteilhaft auch entsprechende Teil-Endstücke im Kopf und Fuß) bilden ein Modul, das als ein zusammenhängendes Bauteil aus dem Brennelement entfernt werden kann. Alle Module des Brennelements sind derart zusammengesetzt, daß al-Ie Teile des Brennelement gemeinsam als eine zusammenhängende Baugruppe im Kern des Reaktors einsetzbar und herausnehmbar sind, wobei die Module des Brennelementes mindestens in vier unterschiedlichen Positionen zueinander zusammensetzbar sind, ohne die Außenabmessungen oder die Führerstabspositionen des Brennelementes zu verändern.Insofar as the invention relates to a reactor with control rods that are introduced into control rod guide tubes of fuel elements, the invention also provides for a fuel element with an end piece in the head and foot of the fuel element and a bundle of fuel rods of the same diameter and guide tubes arranged between them, as well as with several spacers held between the head and foot at a vertical distance from one another on the guide tubes, which hold the fuel rods and guide tubes in positions that are practically evenly distributed over the cross-section of the fuel element. The fuel rods and guide tubes of the bundle are divided into sub-bundles and the spacers consist of sub-spacers that correspond to the fuel rods of the sub-bundles. Each sub-bundle and at least its sub-spacers (advantageously also corresponding sub-end pieces in the head and foot) form a module that can be removed from the fuel element as a coherent component. All modules of the fuel element are assembled in such a way that all parts of the fuel element can be inserted and removed together as a coherent assembly in the core of the reactor, whereby the modules of the fuel element can be assembled in at least four different positions relative to one another, without changing the external dimensions or the control rod positions of the fuel element.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung bleibt das Brennelement als eine einheitliche Baugruppe erhalten, die innerhalb des Kerns durch die äußeren Abmessungen der bisherigen Brennelemente vorgegeben ist und als einheitliche Baugruppe eingesetzt oder entfernt wird. Durch einfache Manipulationen kann das Brennelement aber in einzelne Teilbündel {"Module") aufgelöst werden, wobei eine gewünschte mittlere AnreicherungAccording to the basic idea of the invention, the fuel element remains as a single assembly, which is specified within the core by the external dimensions of the previous fuel elements and is inserted or removed as a single assembly. However, the fuel element can be broken down into individual sub-bundles (“modules”) by simple manipulation, whereby a desired average enrichment

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nach dem Baukasten-System aus unterschiedlich angereicherten bzw. abgebrannten Teilbündeln zusammengestellt wird. Insbesondere können frische, hochangereicherte Teilbündel mit teilweisen abgebrannten, in komplementären Teilen des Brennelements angeordneten Brennstäben zusammengesetzt werden, um in verhältnismäßig engen Grenzen die Anreicherung einzustellen, die im nächsten Zyklus auf der für das betreffende Brennelement festgelegten Position im Kern notwendig ist.is assembled from differently enriched or spent sub-bundles according to the modular system. In particular, fresh, highly enriched sub-bundles can be assembled with partially spent fuel rods arranged in complementary parts of the fuel element in order to adjust the enrichment within relatively narrow limits that is necessary in the next cycle at the position in the core specified for the fuel element in question.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand von elf Figuren wird die Erfindung näher erläutert.Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims. The invention is explained in more detail using eleven figures.

Es zeigen:Show it:

FIG 1 FIG 2FIG 1 FIG 2

0 FIG 30 FIG 3

FIG 4FIG 4

die Aufteilung des Brennelement-Querschnitts in zwei Module,the division of the fuel element cross-section into two modules,

einen schematischen Längsschnitt durch das Brennelement der FIG 1,a schematic longitudinal section through the fuel element of FIG 1,

eine Aufteilung des Brennstab-BündeIs in drei konzentrische Module,a division of the fuel rod bundle into three concentric modules,

einen schematischen Längsschnitt durch das Brennelement nach FIG 3,a schematic longitudinal section through the fuel element according to FIG 3,

eine Aufteilung des quadratischen Stabsbündels in vier quadratische Module,a division of the square rod bundle into four square modules,

einen schematischen Längsschnitt durch das Brennelement nach FIG 5,a schematic longitudinal section through the fuel element according to FIG 5,

eine Bodenplatte im Fuß des Brennelements nach FIG 6, eine andere Bodenplatte im Fuß eines Brennelements nach FIG 6,a base plate in the foot of the fuel assembly according to FIG 6, another base plate in the foot of a fuel assembly according to FIG 6,

die Aufteilung eines Brennelements in ein zentrales Modul und vier winkelförmige Module, die Endstücke mehrerer Brennelemente nach FIG 5, die im Reaktorkern nebeneinander sitzen, und FIG 11 die Abstandhalter von Brennelementen, die ähnlich FIG 9 ausgebildet sind und im Reaktorkern nebeneinander sitzen.the division of a fuel element into a central module and four angular modules, the end pieces of several fuel elements according to FIG 5, which sit next to each other in the reactor core, and FIG 11 the spacers of fuel elements, which are designed similarly to FIG 9 and sit next to each other in the reactor core.

FIG 5 FIG 6FIG 5 FIG 6

FIG 7 FIG 8 FIG 9 FIG 10FIG 7 FIG 8 FIG 9 FIG 10

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Der in FIG 1 gezeigte Querschnitt durch das Brennelement in der Ebene eines Abstandhalters zeigt, daß die Stege 1 des Abstandhalters quadratische Maschen 2 bilden, die jeweils einen (hier weggelassenen) Brennstab oder ein Führungsrohr 3 zur Aufnahme eines Steuerstabes enthalten. Die Brennstäbe haben alle den gleichen Durchmesser und sind gegeneinander austauschbar, während die,Führungsrohre etwas dicker sind und praktisch an den Stegen des Abstandhalters anliegen. Dieses Abstandhalter-Gitter ist in zwei Teile aufgeteilt, nämlich einen zentralen Teil 4 mit einem entsprechenden Teil-Abstandhalter, der an den ersten Führungsrohren 3¹ befestigt ist, und einen äußeren Teil-Abstandhalter 5, der an den Führungsrohren 3¹¹ befestigt ist.The cross-section through the fuel element in the plane of a spacer shown in FIG. 1 shows that the webs 1 of the spacer form square meshes 2, each of which contains a fuel rod (omitted here) or a guide tube 3 for receiving a control rod. The fuel rods all have the same diameter and are interchangeable, while the guide tubes are somewhat thicker and practically rest against the webs of the spacer. This spacer grid is divided into two parts, namely a central part 4 with a corresponding partial spacer which is fastened to the first guide tubes 3 ¹ , and an outer partial spacer 5 which is fastened to the guide tubes 3 ¹¹ .

FIG 2 zeigt, daß die zentralen Teil-Abstandhalter 6 über entsprechende, in ihren Maschen angeschweißte Muffen 7 an den Führungsrohren 3' gehalten sind und zusammen mit einem zentralen Modul-Endstück 9 im Brennelement-Fuß F und einem entsprechenden zentralen Modul-Endstück 10 im Kopf H des Brennelements eine Tragstruktur für das zentrale Modul I bilden, in dem die (nicht dargestellten) Brennstäbe des zentralen Teilbündels sitzen. Das Modul-Endstück 10 im Kopf H ist dabei über einen seitlich vorstehenden Flansch 11 auf dem Rest 12 des Brennelement-Kopfes H abgestützt. Dieses zentrale Modul hängt daher nach unten im Zentrum des Brennelements, so daß sich bei einer Ausdehnung seiner Führungsrohre das andere Modul-Endstück 9 im Fuße des Brennelements gegenüber dem entsprechenden Rest 13 des Brennelement-Fußes F verschieben 0 kann.FIG 2 shows that the central partial spacers 6 are held on the guide tubes 3' by means of corresponding sleeves 7 welded into their meshes and, together with a central module end piece 9 in the fuel element base F and a corresponding central module end piece 10 in the head H of the fuel element, form a support structure for the central module I in which the fuel rods (not shown) of the central partial bundle are seated. The module end piece 10 in the head H is supported on the remainder 12 of the fuel element head H by means of a laterally projecting flange 11. This central module therefore hangs downwards in the center of the fuel element, so that when its guide tubes expand, the other module end piece 9 in the base of the fuel element can move relative to the corresponding remainder 13 of the fuel element base F.

Die das zentrale Modul umgebenden Stäbe (nicht dargestellt) bilden in diesem Fall, in dem die Stäbe des Brennelements nur in zwei Teilbündel zerlegt sind, einen weiteren Modul II mit jeweils einen Teil-Abstandhalter 8 in jeder Abstandhalter-Ebene, wobei die Führungsrohre 3'' diese Teil-AbstandhalterIn this case, in which the rods of the fuel element are only divided into two sub-bundles, the rods surrounding the central module (not shown) form a further module II with one sub-spacer 8 in each spacer plane, with the guide tubes 3'' supporting these sub-spacers

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tragen und an den entsprechenden' Rest-Endstücken 12 und 13 im Kopf und Fuß des Brennelementes tragen.and on the corresponding remaining end pieces 12 and 13 in the head and foot of the fuel element.

Diese Konstruktion ermöglicht es, z.B. ein zentrales Modul, dessen Energieinhalt noch für einen weiteren Betriebszyklus im Reaktorkern ausreicht, mit einem komplementären Modul, daß mit frischen, hochaktiven Brennstäben versehen ist, zu kombinieren oder die Module,unterschiedlicher Brennelemente untereinander auszutauschen. Dabei ist auch die Orientierung des zentralen Moduls in Bezug auf die Lage des komplementären Moduls frei vorgebbar. Während in FIG 1 den Ecken A, B, C, D des Brennelements bzw. des äußeren Moduls jeweils die Ecken a, b, c, d des zentralen Moduls gegenüberstehen, können auch Anordnungen gewählt werden, bei denen z.B. die äußere Ecke A jeweils der Ecke b, c oder d gegenübersteht. Dadurch ist es z.B. auch möglich, bei einem Brennelement, deren Führungsrohre 3¹, 3'' sich z.B. in Richtung auf die Ecke A verbogen haben, nunmehr den inneren Modul um 180° zu drehen, so daß nun unterschiedlich verbogene Führungsrohre über die aneinanderliegende Abstandshalter Kräfte aufeinander ausüben, die dieser Verbiegung entgegenwirken. Dies ist. vor allem vorteilhaft bei Druckwasser-Kernelementen, die nicht durch einen seitlichen Kasten verstärkt sind.This design makes it possible, for example, to combine a central module, the energy content of which is still sufficient for a further operating cycle in the reactor core, with a complementary module which is equipped with fresh, highly active fuel rods, or to exchange modules of different fuel elements with one another. The orientation of the central module in relation to the position of the complementary module can also be freely specified. While in FIG. 1 the corners A, B, C, D of the fuel element or the outer module are each opposite the corners a, b, c, d of the central module, arrangements can also be selected in which, for example, the outer corner A is each opposite the corner b, c or d. This also makes it possible, for example, for a fuel element whose guide tubes 3 ¹ , 3'' have bent, for example, in the direction of corner A, to now rotate the inner module by 180°, so that differently bent guide tubes now exert forces on one another via the adjacent spacers, which counteract this bending. This is. particularly advantageous for pressurized water core elements that are not reinforced by a side box.

Das Endstück F im Fuß des Brennelements besteht bei dieser Konstruktion aus einem Rahmen, der nach unten offen ist und durch den in Richtung der dargestellten Pfeile das Kühlmittel zu einer Bodenplatte fließt, die das Brennelementbündel nach unten abdeckt und aus dem unteren Modul-Endstück 9 und einer entsprechenden Rest-Bodenplatte 9' besteht. Durch (nicht dargestellte) Durchtrittsöffnungen durchdringt das Kühlmittel in das Brennelement ein, daß es durch entsprechende {nicht dargestellte) Durchtrittsoffnungen in einer Deckplatte wieder austritt. Diese Deckplatte besteht ihrerseits aus dem oberen Modul-Endstück 10 und der Rest-Deckplatte 10', die in einem anschließenden, oben offenen Rahmen gehalten ist. Diese Konstruktion der Endstücke im Fuß F und Kopf H des BrennelementsIn this design, the end piece F in the base of the fuel element consists of a frame that is open at the bottom and through which the coolant flows in the direction of the arrows shown to a base plate that covers the fuel element bundle at the bottom and consists of the lower module end piece 9 and a corresponding remaining base plate 9'. The coolant penetrates the fuel element through (not shown) through-openings and exits again through corresponding (not shown) through-openings in a cover plate. This cover plate in turn consists of the upper module end piece 10 and the remaining cover plate 10', which is held in an adjoining frame that is open at the top. This design of the end pieces in the base F and head H of the fuel element

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entspricht (ausgenommen der Aufteilung der Bodenplatte und Deckplatte) dem üblichen Aufbau von Druckwasser-Brennelementen. Entsprechend können auch die unteren und oberen Stabhalteplatten im Fuß und Kopf von üblichen Siedewasser-Brennelementen aufgeteilt werden, um daß Brennelement als ganze Baugruppe zum Auswechseln der Brennstäbe und/oder Versetzen der Brennelemente aus dem Kern zu entfernen, aber jeweils die Teilbündel der Stäbe als einzelne Bauteile handhaben zu können, ohne die Brennstäbe alle einzeln aus den Brennelement-Skelett ziehen zu müssen.corresponds (except for the division of the base plate and cover plate) to the usual structure of pressurized water fuel elements. The lower and upper rod holding plates in the base and head of conventional boiling water fuel elements can also be divided accordingly in order to remove the fuel element as a whole assembly for replacing the fuel rods and/or moving the fuel elements from the core, but to be able to handle the sub-bundles of the rods as individual components without having to pull all the fuel rods out of the fuel element skeleton individually.

Wie die FIG 3 zeigt, können die das zentrale Modul umgebenden Stäbe auch auf mehrere weitere Module aufgeteilt werden, die konzentrisch zueinander und zum zentralen Modul angeordnet sind; gemäß FIG 9 können aber die weiteren Stäbe auch auf mehrere Modulen aufgeteilt werden, die nebeneinander angeordnet sind, um einen zum zentralen Modul konzentrischen Ring zu bilden. Daneben ist es auch möglich, im Kopf und/oder Fuß des Brennelements jeweils ein gemeinsames Endstück für alle Modu-Ie des Brennelements vorzusehen, so daß die Aufteilung des Stabbündels auf die einzelnen Module im wesentlichen nur durch die entsprechende Aufteilung der Abstandhalter in Teil-Abstandhalter mit entsprechenden Tragstrukturen erfolgt; die Modulen sind dann einzeln aus den Brennelement entfernbar, nachdem z.B. das gemeinsame Endstück im Fuß des Brennelements abmontiert ist.As FIG. 3 shows, the rods surrounding the central module can also be divided into several further modules that are arranged concentrically to one another and to the central module; according to FIG. 9, however, the further rods can also be divided into several modules that are arranged next to one another to form a ring concentric to the central module. In addition, it is also possible to provide a common end piece for all modules of the fuel element in the head and/or base of the fuel element, so that the rod bundle is divided into the individual modules essentially only by dividing the spacers into partial spacers with corresponding support structures; the modules can then be removed individually from the fuel element, for example after the common end piece in the base of the fuel element has been removed.

Entsprechend FIG 1 sind auch bei FIG 3 die Brennstäbe zur Vereinfachung der Darstellung aus dem Abstandhaltergitter entfernt, so daß nur die Stege des Abstandhalters und deren Halterung an den Führungsrohren des Brennelements dargestellt ist.As in FIG 1, in FIG 3 the fuel rods have been removed from the spacer grid to simplify the illustration, so that only the spacer webs and their mounting on the guide tubes of the fuel element are shown.

Das Brennelement enthält demnach je ein Endstück im Fuß und Kopf des Brennelements sowie ein dazwischen angeordnetes Bündel aus Brennstäben gleichen Durchmessers und den Führungsrohren 23', 23''. Diese Brennstäbe und Führungsrohre sind also im vertikalen Abstand voneinander in mehreren Abstandhai-The fuel element therefore contains an end piece in the base and head of the fuel element as well as a bundle of fuel rods of the same diameter and the guide tubes 23', 23'' arranged between them. These fuel rods and guide tubes are therefore arranged vertically apart from one another in several spacers.

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ter-Ebenen mit vertikalen Abstand voneinander zwischen Kopf und Fuß angeordnet und halten die Brennstäbe und Führungsrohre an praktisch gleichmäßig über den Querschnitt verteilten Positionen.
5ter levels with vertical spacing between head and foot and hold the fuel rods and guide tubes at positions practically evenly distributed over the cross-section.
5

Dabei sind die Abstandhalter des Brennelements jeweils in einen zentralen, zu einem ersten Teilbündel gehörenden Teil-Abstandhalter 20, einen zweiten Teil-Abstandhalter 21 und einen weiteren Teil-Abstandhalter 22 aufgeteilt, um die Brennstäbe und Führungsrohre des Bündels in entsprechenden Teilbündeln zusammenzufassen. Das erste Teilbündel enthält dabei auch die zugehörigen Führungsrohre 23, an denen der zentrale Teil-Abstandhalter 20 befestigt ist, während der Teil-Abstandhalter 21 von den Führungsrohren 24 gehalten wird. Für den Teil-Abstandhalter 22, der in diesem Fall die beiden äußersten Spalten und Reihen der Brennstäbe umfaßt, stehen keine Führungsrohre zur Verfügung, vielmehr ist er z.B. an bestimmten Brennstäben 25, die (wie bei Siedewasser-Brennelementen üblich) als Tragstäbe ausgebildet sind.The spacers of the fuel element are each divided into a central partial spacer 20 belonging to a first partial bundle, a second partial spacer 21 and a further partial spacer 22 in order to combine the fuel rods and guide tubes of the bundle in corresponding partial bundles. The first partial bundle also contains the associated guide tubes 23 to which the central partial spacer 20 is attached, while the partial spacer 21 is held by the guide tubes 24. There are no guide tubes available for the partial spacer 22, which in this case comprises the two outermost columns and rows of the fuel rods; instead, it is attached, for example, to certain fuel rods 25, which (as is usual with boiling water fuel elements) are designed as support rods.

Die drei Teilbündel bilden zumindest mit ihren Teil-Abstandhaltern also jeweils ein Modul, daß als ein zusammenhängendes Bauteil aus dem Brennelement entfernt werden kann. Diese einzelnen Module können somit gegen entsprechende Module anderer, baugleicher Brennelemente ausgetauscht werden, wobei die Modulen unter Beibehaltung ihrer Außenabmessung und den durch die Positionen der Steuerstäbe vorgegebenen Führungsrohr-Positionen in mehreren unterschiedlichen Positionen zueinander zusammengesetzt werden können.The three sub-bundles, at least with their partial spacers, each form a module that can be removed from the fuel element as a single component. These individual modules can thus be exchanged for corresponding modules from other, identically constructed fuel elements, whereby the modules can be assembled in several different positions relative to one another while retaining their external dimensions and the guide tube positions determined by the positions of the control rods.

Dabei sind die Module des Brennelementes derart zusammengesetzt, daß alle Teile des Brennelements gemeinsam als zusammenhängende Baugruppe im Kern des Kernreaktors einsetzbar und herausnehmbar sind. Wie FIG 4 zeigt, gehört dabei zum zentralen ersten Modul I auch ein Modul-Fußstück 29 und ein Modul-Kopfstück 30, die an den Führungsrohren 23 des zentralen ersten Moduls befestigt sind. Der Fuß F des Brennens ist hier-The modules of the fuel element are assembled in such a way that all parts of the fuel element can be inserted and removed together as a coherent assembly in the core of the nuclear reactor. As FIG 4 shows, the central first module I also includes a module base piece 29 and a module head piece 30, which are attached to the guide tubes 23 of the central first module. The base F of the burning is here-

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bei in den Rahmen 33 mit der Teil-Bodenplatte 29' einerseits, die Teil-Bodenplatte 29 andererseits, sowie ein Rahmenteil 26 zerlegt, wobei diese drei Teile jeweils ein dem entsprechenden Modul zugeordnetes Teil-Fußstück bilden. Eine entsprechende Zerlegung ist auch für den Rahmen 32, die Teil-Deckplatten 30, 30' und einen entsprechenden Rahmen 27 im Kopf H des Brennelements vorgesehen.in the frame 33 with the partial base plate 29' on the one hand, the partial base plate 29 on the other hand, and a frame part 26, whereby these three parts each form a partial base piece assigned to the corresponding module. A corresponding disassembly is also provided for the frame 32, the partial cover plates 30, 30' and a corresponding frame 27 in the head H of the fuel element.

Wie bereits bei FIG 2 erläutert, ist dabei das zentrale erste Modul mit seinem Kopf-Endstück 30 auf dem entsprechenden Kopf-Endstück 30', "32 des zweiten Moduls II' abgestützt, so daß das Modul-Fußstück 29 dieses zentralen Moduls bei einer axialen Ausdehnung des Bündels axial verschiebbar ist gegenüber dem Modul-Endstück 33, 29' des zweiten Moduls.As already explained in FIG. 2, the central first module is supported with its head end piece 30 on the corresponding head end piece 30', "32 of the second module II', so that the module foot piece 29 of this central module can be axially displaced relative to the module end piece 33, 29' of the second module when the bundle expands axially.

Somit kann das ganze Brennelement oder auch nur deren zentrales Modul nach oben aus dem Verband herausgehoben werden, in dem die Brennelemente im Kern dicht nebeneinander angeordnet sind. Werden die Ve rsehraubungen oder Befestigungen 31, mit dem die Führungsrohre 24 an der Teil-Bodenplatte 29" oder der Teil-Kopfteile 30' angeschraubt sind, gelöst, so kann z.B. der Fußteil 33 abmontiert werden, wobei nun auch das äußere Modul mit den Abstandhaltern 22 zugänglich wird und ausgewechselt werden kann. Das Rahmenteil 2 6 kann, um den äußeren Modul mit seinen Abstandhaltern 22 im Brennelement zu fixieren, am Fußteil 33 befestigt sein, es kann aber auch von den Tragstäben 25 getragen werden und in ein entsprechendes Gegenprofil des Rahmens 33 eingreifen.This means that the entire fuel element or just its central module can be lifted upwards out of the assembly, in which the fuel elements are arranged close together in the core. If the screw connections or fastenings 31 with which the guide tubes 24 are screwed to the partial base plate 29" or the partial head parts 30' are loosened, the foot part 33 can be removed, for example, whereby the outer module with the spacers 22 is now accessible and can be replaced. The frame part 26 can be fastened to the foot part 33 in order to fix the outer module with its spacers 22 in the fuel element, but it can also be carried by the support rods 25 and engage in a corresponding counter profile of the frame 33.

Dabei können also die am Rand liegenden Stäbe des Bündels ein einziges, ringförmiges Modul III bilden. Ein derartiger konzentrischer Ring kann aber auch von mehreren, nebeneinanderliegenden Modulen gebildet sein.The bars of the bundle located at the edge can form a single, ring-shaped module III. However, such a concentric ring can also be formed by several modules lying next to one another.

5 Gemäß den FIG 2 und 4 lastet das Gewicht des zentralen Moduls über die zum zweiten Modul gehörende Teil-Deckplatte 10' bzw. 30' am Rahmen 12 bzw. 32, wenn das Brennelement angehoben5 According to FIGS 2 and 4, the weight of the central module rests on the frame 12 or 32 via the partial cover plate 10' or 30' belonging to the second module when the fuel element is lifted

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wird und über die Führungsrohre 3' bzw. 24 auf der entsprechenden Teil-Bodenplatte 9' bzw. 29' des Rahmens 13 bzw. 33' auf dem Rahmen 13 bzw. 33, wenn das Brennelement mit seinem Fuß auf eine entsprechenden Tragstruktur im Kern abgestellt wird. Führungsrohre von Druckwasser-Brennelementen enthalten im allgemeinen Dämpfungsglieder, um axiale Stöße abzufedern. Diese Dämpfungsglieder sind für die Führungsrohre 3' bzw. 23 des zentralen Moduls nicht erforderlich oder können schwach ausgeführt werden, während die Führungsrohre des zweiten Moduls entsprechend stärker gedämpft werden, um mechanische Belastungen der Führungsrohre 3¹' bzw. 24 geringzuhalten.and via the guide tubes 3' or 24 on the corresponding partial base plate 9' or 29' of the frame 13 or 33' on the frame 13 or 33 when the fuel element is placed with its foot on a corresponding support structure in the core. Guide tubes of pressurized water fuel elements generally contain damping elements to cushion axial shocks. These damping elements are not required for the guide tubes 3' or 23 of the central module or can be made weak, while the guide tubes of the second module are damped accordingly more strongly in order to keep mechanical loads on the guide tubes 3 ¹ ' or 24 low.

Bei der Aufteilung eines Abstandhalters in Teil-Abstandhalter nach FIG 5 ist eine Baugleichheit der einzelnen Modulen Ia, Ib, Ic, Id angestrebt. Bei dieser Bauweise kann jeweils ein Quadrant einzeln gegen einen neuen Modul oder einen entsprechenden Quadranten eines anderen Brennelements ausgewechselt werden, wobei die inneren Ecken a, b, c und d des Brennelements in dieser Reihenfolge aneinanderstoßen können, also die innere Ecke a des Moduls Ia immer diametral entgegengesetzt zur äußeren Ecke A des ganzen Brennelements angeordnet ist. Es kann aber auch eine andere Orientierung, der Brennelemente erfolgen, z.B. in dem die Module Ia und Ib miteinander vertauscht werden, so daß die innere Ecke b des Moduls Ib diametral der äußeren Ecke A des Brennelements gegenüberliegt, ohne daß die Module Ic und Id versetzt werden. Entsprechende Vertauschungen können aber auch zwischen anderen Modulen vorgenommen werden.When dividing a spacer into partial spacers according to FIG 5, the aim is to ensure that the individual modules Ia, Ib, Ic, Id are identical in construction. With this design, each quadrant can be individually exchanged for a new module or a corresponding quadrant of another fuel element, whereby the inner corners a, b, c and d of the fuel element can abut one another in this order, i.e. the inner corner a of module Ia is always arranged diametrically opposite to the outer corner A of the entire fuel element. However, the fuel elements can also be oriented differently, e.g. by swapping modules Ia and Ib so that the inner corner b of module Ib is diametrically opposite the outer corner A of the fuel element, without modules Ic and Id being moved. Corresponding swaps can also be made between other modules.

Während die Abstandhalter einerseits in der aktiven Zone des Brennelements liegen und somit einer besonderen Strahlung ausgesetzt sind, andererseits die Abmessungen der Stege begrenzt sind, um den Strömungswiderstand im Brennelement gering zu halten, sind die Endstücke im Kopf und Fuß des Brennelement einer weniger starken Belastung durch Strahlung, Korrosion und Wärmeströme ausgesetzt und können außerdem wesentlich stabiler ausgeführt werden. Außerdem können dieseWhile the spacers are located in the active zone of the fuel element and are therefore exposed to particular radiation, and the dimensions of the webs are limited in order to keep the flow resistance in the fuel element low, the end pieces in the head and foot of the fuel element are exposed to less stress from radiation, corrosion and heat flows and can also be made much more stable. In addition, these

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Endstücke z.B. aus Stahl gefertigt sein, während die Abstandhalter im Interesse einer niedrigen Neutronenabsorption vorzugsweise aus Zircaloy ausgeführt sind. Sind die Brennstäbe abgebrannt, so sind in der Regel auch die Abstandhalter am Ende ihrer Lebensdauer angelangt und müßten zusammen mit den Brennstäben ausgewechselt und endgelagert werden. Für die Endstücke des Brennelements jedoch ist die Lebenszeit nicht durch solche Faktoren beschränkt, sie können daher mehrfach verwendbar sein.End pieces can be made of steel, for example, while the spacers are preferably made of Zircaloy in the interest of low neutron absorption. Once the fuel rods have burned out, the spacers have usually also reached the end of their service life and must be replaced and stored together with the fuel rods. However, the service life of the end pieces of the fuel element is not limited by such factors, so they can be used multiple times.

In diesen Fällen ist es daher vorteilhaft, wenn das Brennelement so aufgebaut ist, daß die Endstücke keine Teile der Module enthalten, also die Module nach Demontage des Kopf- und Fußteils als eigene Bauteile versetzt oder ersetzt werden können.In these cases, it is therefore advantageous if the fuel element is constructed in such a way that the end pieces do not contain any parts of the modules, so that the modules can be moved or replaced as separate components after dismantling the head and foot sections.

In FIG 6 ist angedeutet, daß in jedem Modul zu einem Teilbündel zusammengefaßten Brennstäbe durch die Teilabstandhalter 50, 51 zu den einzelnen Modulen zusammengefaßt sind, während die Führungsrohre 53, 54 dieser Module über die entsprechenden Befestigungselemente 56 jeweils an den mehrfach-verwendbaren Endstücken 57, 58 im Kopf und Fuß des Brennelementes lösbar befestigt sind.In FIG 6 it is indicated that in each module the fuel rods combined to form a partial bundle are combined into the individual modules by the partial spacers 50, 51, while the guide tubes 53, 54 of these modules are detachably fastened to the reusable end pieces 57, 58 in the head and foot of the fuel element via the corresponding fastening elements 56.

Dabei zeigt FIG 7 die Normalausführung der Bodenplatte 58 eines derartigen Endstücks im Brennelement-Fuß, wobei außer den Befestigungselementen 56, die jeweils an der Position eines Führungsrohres sitzen, noch entsprechende Durchtrittsöffnungen 59 für den Kühlmittelstrom erkennbar sind. Mit derartigen Endstücken im Kopf und Fuß des Brennelements können die Module Ia...Id in der in FIG 5 gezeigten Weise angeordnet werden, wobei stets die inneren Ecken a, b, c, d jedes Moduls innere Ecken bleiben. Dies ist erforderlich, sofern das Brennelement mit den Endstücken nach FIG 7 an Positionen im Kern eingesetzt werden, an denen der Kernaufbau auch entsprechende Steuerstäbe vorsieht, die in die Führungsrohre des Brennelements eingeführt werden sollen.FIG. 7 shows the standard design of the base plate 58 of such an end piece in the fuel element base, whereby in addition to the fastening elements 56, which are each located at the position of a guide tube, corresponding passage openings 59 for the coolant flow can also be seen. With such end pieces in the head and base of the fuel element, the modules Ia...Id can be arranged in the manner shown in FIG. 5, whereby the inner corners a, b, c, d of each module always remain inner corners. This is necessary if the fuel element with the end pieces according to FIG. 7 is inserted at positions in the core at which the core structure also provides corresponding control rods that are to be inserted into the guide tubes of the fuel element.

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Ein Teil der Brennelemente im Reaktorkern sitzen aber an Positionen, an denen die Kernaufbauten keine derartigen Steuerstäbe vorsehen. An solchen Positionen können daher Endstücke entsprechend FIG 8 vorgesehen werden, d.h. die Module Ia...Id der FIG 5 können nunmehr derart zwischen den Endstücken der FIG 8 angeordnet werden, daß nunmehr die Ecken a, b, c, d nicht mehr als innere Ecke diametral zu den äußeren Ecken A, B, C und D des Brennelements liegen, sondern direkt an diesen Ecken. Für die Ecke a des Moduls Ia ergibt sich dann also eine Lage, bei der die Ecke a an der äußeren Ecke-A (FIG 8) oder einer anderen äußeren Ecke B, C und D zu liegen kommt.However, some of the fuel elements in the reactor core are located in positions where the core structures do not provide for such control rods. End pieces can therefore be provided in such positions as shown in FIG. 8, i.e. the modules Ia...Id of FIG. 5 can now be arranged between the end pieces of FIG. 8 in such a way that the corners a, b, c, d are no longer located as inner corners diametrically opposite the outer corners A, B, C and D of the fuel element, but directly at these corners. For the corner a of the module Ia, this then results in a position in which the corner a is located at the outer corner A (FIG. 8) or another outer corner B, C and D.

Gemäß der Erfindung kann aber das Bündel auch entsprechend FIG 9 auf ein zentrales Modul I¹ sowie vier winkelförmige Module Ha...Hd verteilt werden. Dabei sind nicht nur die winkelförmigen Module Ha...Hd einzeln gegen neue Module oder untereinander austauschbar, vielmehr kann auch das Modul I¹ in vier unterschiedlichen Positionen zu der Lage der anderen Module Ha...Hd eingesetzt werden.According to the invention, however, the bundle can also be distributed as shown in FIG. 9 between a central module I ¹ and four angular modules Ha...Hd. Not only can the angular modules Ha...Hd be individually exchanged for new modules or for each other, but the module I ¹ can also be used in four different positions relative to the position of the other modules Ha...Hd.

Im Reaktor sitzen die Brennelemente in einem Verband eng nebeneinander in der Gerüststruktur des Reaktorkerns. Sind dabei die Köpfe und Füße der Brennelemente alle gleich ausgebildet und entsprechend FIG 7 mit Halterungen für die Tragstruktur (Führungsrohre) der Brennelement-Skelette versehen, so sind die Brennelemente beliebig gegeneinander vertauschbar. In FIG 10 ist dagegen angenommen, daß das Brennelement 70, dessen Endstücke der FIG 8 entsprechen, an einem Ort sitzt, "an dem keine Steuerstäbe in die Führungsrohre eingefahren werden, während die Brennelemente 71 und 72, die entsprechend den FIG 5 und 6 aufgebaut sind, an ihrer Position Steuerstäbe in den Führungsrohren 53,54 aufnehmen müssen. In the reactor, the fuel elements are arranged in a group close to one another in the framework structure of the reactor core. If the heads and feet of the fuel elements are all designed the same and are provided with holders for the supporting structure (guide tubes) of the fuel element skeletons as shown in FIG. 7, then the fuel elements can be interchanged with one another as required. In FIG. 10, however, it is assumed that the fuel element 70, whose end pieces correspond to FIG. 8, is located in a place "where no control rods are inserted into the guide tubes", while the fuel elements 71 and 72, which are designed as shown in FIG. 5 and 6, must accommodate control rods in the guide tubes 53, 54 at their position.

Dabei wird aus FIG 10 ersichtlich, daß jetzt das Modul 71a mit dem Teilbündel, des im an den Führungsrohren 54 befestigten Teilabstandhalter sitzt, unter Drehung von 180° mit demIt is clear from FIG 10 that the module 71a with the partial bundle of the spacer attached to the guide tubes 54 is now rotated by 180° with the

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Teilbündel 70a des Brennelements 70 vertauschbar ist. Am äußeren Rand des Brennelements 71 liegende Brennstäbe kommen nach der Vertauschung an Positionen von Brennstäben, die im Inneren des Brennelements 70 liegen. Dabei kehrt sich ihre Orientierung im Reaktorkern, die durch die Pfeile 75 gegeben ist, um {Pfeile 76). Es besteht aber auch die Möglichkeit, äußere Brennstäbe des Elements 71 mit inneren Brennstäben des Elements 70 zu vertauschen (Vertauschung der Module und Teilbündel 71b und 70b), ohne die Orientierung zu ändern (Pfeile 77 und 78). Eine ähnliche Vertauschung von äußeren Brennstäben und inneren Brennstäben ergibt auch die Vertauschung des· Teilbündels (Moduls) 71a mit dem Teilbündel (Modul) 73b im Brennelement 72, wohin aber die Orientierung um 90° geändert wird (Pfeile 75 und 79).Partial bundle 70a of the fuel element 70 is interchangeable. Fuel rods located on the outer edge of the fuel element 71 come, after the interchange, to positions of fuel rods located inside the fuel element 70. In the process, their orientation in the reactor core, which is given by the arrows 75, is reversed {arrows 76). However, it is also possible to interchange outer fuel rods of element 71 with inner fuel rods of element 70 (interchange of the modules and partial bundles 71b and 70b) without changing the orientation (arrows 77 and 78). A similar interchange of outer fuel rods and inner fuel rods also results from the interchange of the partial bundle (module) 71a with the partial bundle (module) 73b in the fuel element 72, where the orientation is changed by 90° (arrows 75 and 79).

Nach FIG 11 sind die Abstandhalter längs des Randes des Brennelements in nebeneinander liegende, identisch aufgebaute Teil-Abstandhalter VI, VII, VIII, IX zerlegt. Auch hier können, wie in den FIG 5 und 9, die entsprechenden Module zumindest zyklisch gegeneinander vertauscht werden. Außerdem sind sie in diesem Beispiel um ein inneres Modul mit dem zentralen Teil-Abstandhalter V ringförmig angeordnet. Ferner zeigt diese FIG 11 die Teil-Abstandhalter VI¹, VII¹, VIII¹, IX¹ benachbarter Brennelemente. Die Endstücke im Kopf und Fuß der Brennelemente können für alle Brennelemente gleich sein, können aber auch entsprechend FIG 10 ausgebildet sein.According to FIG 11, the spacers are broken down along the edge of the fuel element into adjacent, identically constructed partial spacers VI, VII, VIII, IX. Here too, as in FIGS 5 and 9, the corresponding modules can be swapped around at least cyclically. In addition, in this example they are arranged in a ring around an inner module with the central partial spacer V. Furthermore, FIG 11 shows the partial spacers VI ¹ , VII ¹ , VIII ¹ , IX ¹ of neighboring fuel elements. The end pieces in the head and foot of the fuel elements can be the same for all fuel elements, but can also be designed according to FIG 10.

Im letzten Fall entsteht ebenfalls im Reaktorkern ein Verband aus mehreren Brennelementen, die so aufgebaut sind, daß jeweils ein erstes Brennelement (80) Module mit Teil-Abstandhaltern (z.B. VI, VII, VIII, IX) aufweist, die am Umfang des Brennelements liegende Seiten haben. Die Endstücke dieses ersten Brennelements 80 und eines zweiten Brennelements (81,82) sind so ausgebildet, daß diese Module des ersten Brennelements mit Modulen (VI¹, VII¹, VIII', IX¹) des zweiten Brennelements ausgewechselt werden können und dabei die Seiten der Module, die im ersten Brennelement am Umfang angeordnet wa-In the latter case, a group of several fuel elements is also formed in the reactor core, which are constructed in such a way that a first fuel element (80) has modules with partial spacers (e.g. VI, VII, VIII, IX) that have sides located on the circumference of the fuel element. The end pieces of this first fuel element 80 and of a second fuel element (81, 82) are designed in such a way that these modules of the first fuel element can be exchanged with modules (VI ¹ , VII ¹ , VIII', IX ¹ ) of the second fuel element, thereby replacing the sides of the modules that were arranged on the circumference of the first fuel element.

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ren, nach dem Auswechseln im Inneren des zweiten Brennelements zu liegen kommen.will end up inside the second fuel element after replacement.

Diese Beispiele zeigen, daß eine hohe Flexibilität erreicht wird, um aus Teilbündeln aller Brennelemente und gegebenenfalls Teilbündeln mit frischen Brennstäben neue Brennelemente zusammenzusetzen, die eine gewünschte mittlere Reaktivität besitzen. Auf dem Einsatz abbrennbarer Neutronengifte kann dabei weitgehend verzichtet werden. Vielmehr ist dabei auch die Anzahl der nötigen Manipulationen an Brennelementen im Hinblick auf die hierfür nötigen Betriebspausen des Reaktors optimiert.These examples show that a high degree of flexibility is achieved in order to assemble new fuel elements with the desired average reactivity from partial bundles of all fuel elements and, if necessary, partial bundles with fresh fuel rods. The use of burnable neutron poisons can be largely dispensed with. Rather, the number of manipulations required on fuel elements is also optimized in view of the shutdowns of the reactor required for this.

Claims

GR 94 G 3591 DE .'···"· .··.·"· .**. .** Protection claims

1. Fuel element with a bundle of rods arranged between an end piece (10, 10', 12; 9, 9", 13) in the base (F) and head (H) of the fuel element, which are at least predominantly designed as fuel rods, and spacers (6) which are fastened between head and foot to a support structure (3', 3'') at a vertical distance from one another and hold the rods in the respective spacer plane in positions distributed practically evenly over the cross-section, characterized in that a) some rods of the bundle form a central partial bundle arranged around the fuel element axis, which is surrounded on all sides by the remaining rods of the bundle, b) the rods of the bundle in each spacer plane are seated in the meshes (2) of a central partial spacer (4) which is independent of the remaining parts (II) of the corresponding spacer,

c) the central sub-spacer (4), the central sub-bundle and a module support structure (3') for holding the latter form a central module (I) which can be removed from the fuel assembly as a coherent component ;

(d) the central module (I) and the remaining parts (II) of the fuel assembly are assembled in such a way that all parts of the fuel assembly can be inserted and removed together as a coherent assembly in the core of the reactor, and

e) the central module (I) can be inserted into the fuel assembly in at least four different positions relative to the remaining parts of the fuel assembly.

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the head (H) and foot (F) of the fuel element each contain a central module end piece (9, 10) and the module support structure (3 ¹ ) is attached to the module end pieces.

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3. Fuel element according to claim 2, characterized in that at one end of the fuel element, preferably in the head (H) of the fuel element, the corresponding module end piece (10) of the central module (I) is supported on the end of the remaining fuel element and that the other module end piece (9) of the central module at the other end of the fuel element (F) is axially displaceable when the central module is axially expanded.

4. Fuel element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rods surrounding the central module (I) form at least one further module (II) with a partial bundle, a partial spacer (8) in each of the spacer planes and a module support structure (3"), which can be lifted as a coherent component.

5. Fuel element according to claim 4, characterized in that the rods surrounding the central module (I ¹ ) are divided into several modules (Ha,lib,lic,lld) which are arranged next to one another in a ring shape.

6. Fuel element according to claim 4, characterized in that the rods surrounding the central module (I) are divided into several annular modules (II ¹ , III) arranged concentrically to one another and to the central module.

7. Fuel element according to claim 1, characterized in that a common end piece (57, 58) is provided in the head and/or foot for all modules of the fuel element and the modules can be removed from the fuel element after removal of the common end piece.

8. Fuel assembly with a bundle of fuel rods of the same diameter and guide tubes arranged between an end piece in the base (F) and in the head (H) of the fuel assembly, and with

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a plurality of spacers held at a vertical distance from one another, which hold the fuel rods and guide tubes in positions distributed practically evenly over the cross-section, characterized in that a) the fuel rods and guide tubes (53, 54) of the bundle are divided into sub-bundles,

b) the spacers consist of partial spacers (50,51), each of which corresponds to the fuel rods of a sub-bundle,

c) each partial bundle and at least its partial spacers (50,51) form a module (Ia...Id) which can be removed from the fuel element as a coherent component,

d) all modules (Ia..,If) of the fuel assembly are assembled in such a way that all parts of the fuel assembly can be inserted into the core of the reactor together as a coherent assembly and can be removed from the core, and

(e) the modules of the fuel assembly can be assembled in at least four different positions relative to one another to form a new fuel assembly of the same external dimensions with guide rods that correspond to the positions of control rods in the reactor.

9. Fuel element according to claim 8, characterized in that

characterized in that the end pieces in the head (H) and foot (F) are composed of module end pieces in such a way that the guide tubes (3',3 ¹ M) of each module are fastened to a separate module end piece (9,13) in the foot and a separate module end piece (10,12) in the head.

10. Fuel element according to claim 9, characterized in that at one end of the fuel element, preferably in the head, the corresponding module end piece

(10) of a first module (I) is supported on a corresponding module end piece (12) of a second module (II), and that at the other end of the fuel assembly the corresponding module end piece (9) of the first module is supported in an axial extension

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of the bundle is axially displaceable relative to the corresponding module end piece (13) of the second module.

11. Fuel element according to claim 10, characterized in that the second module (II) surrounds the first module (I) in a ring shape.

12. Fuel element according to claim 10 or 11, characterized in that at least one further module (III) is provided, the partial bundle of which consists only of fuel rods, and that this module (III) comprises parts (25) which carry the partial spacers (22) of this further module and with which the partial bundle of the further module is held between the two module end pieces (29', 30 ¹ ) of the second module (II ¹ ).

13. Fuel element according to claim 12, characterized in that the partial bundle of the further module (III) is formed from fuel rods at the edge of the fuel element.

14. Fuel element according to claim 9, characterized in that a common end piece is provided in the head and/or foot for all modules of the fuel element and the modules can be removed individually after removal of the common end piece.

15. Fuel element according to claim 9 or 14, characterized in that several modules (Ia, Ib, Ic, Id or VI, VII, VIII, IX) are arranged next to one another along the edge of the fuel element and that these modules can be interchanged with one another at least cyclically.

16. Fuel assembly according to claim 15, characterized in that a first module is provided in the center of the fuel assembly, which is arranged in the plane of a

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spacer is surrounded by at least one other module on all sides between the end pieces.

17. An assembly of several fuel elements according to one of claims to 16 in the core of a nuclear reactor, characterized in that the modules of one fuel element can be exchanged with the corresponding modules of other fuel elements.

,18. Association of several fuel elements according to claim 15 or 16, characterized in that modules (VI, VII, VIII, IX) of a first fuel element (80) each have a partial spacer with at least one side lying on the circumference of the first fuel element, and in that the end pieces of the first fuel element (80) and of a second fuel element (81, 82) are designed in such a way that these modules (VI, VII, VIII, IX) of the first fuel element can be exchanged for modules (VI, VII, VIII, IX) of the second fuel element in such a way that the side of a partial spacer lying on the edge of the first fuel element before removal comes to lie inside the second fuel element after insertion into the second fuel element.