DE3816277A1 - Versetztes brennelementbuendel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffkanäle für Kernreaktoren. Insbesondere wird ein versetzter Brennstoffkanal für einen Siedewasser-Reaktor mit D-Gitter offenbart, um die verbesser­ te Wirksamkeit des Brennelementbündels zu gestatten.

Bei Siedewasser-Reaktoren ist das spaltbare Material üblicher­ weise in einzelnen Brennelementen bzw. Brennstäben einge­ schlossen. Die Elemente ihrerseits sind zu Brennelementbündeln zusammengefaßt. Diese Brennelementbündel weisen einen Boden­ einlaß auf, der als Gitterplatte bezeichnet wird, die gegen­ über Wasser, das durch eine den Boden tragende Kernplatte und einen Kernträger-Gußkörper strömt, offen ist. Ein Kanal mit mehreckigem Querschnitt, vorzugsweise einem mit quadratischem Querschnitt, erstreckt sich über die volle Länge des Brenn­ elementbündels nach oben.

Diese Brennelementbündel mit quadratischem Querschnitt sind üblicherweise in Vierergruppen angeordnet. Bei jeder solchen Vierergruppe weisen die Bündel einen Abstand voneinander auf, um einen kreuzförmig gestalteten Zwischenraum zwischen vier benachbarten Brennelementbündeln zu begrenzen. In diesen Zwi­ schenraum wird ein entsprechend kreuzförmig gestalteter Steu­ erstab eingeführt, um die Kernreaktion zu steuern.

Wasser, das in einem Brennelementbündel zum Sieden gebracht werden soll, wird üblicherweise unter Druck durch einen Ein­ laß in der Kernplatte eingeführt. Das Wasser strömt von der Kernplatte aus innerhalb des Kanales und um die einzelnen Brennstoff enthaltenden Stäbe herum. Bei einem solchen Durch­ gang wird Wärme von den Brennstäben entfernt und das Wasser zum Sieden erhitzt. Durch Nutzung des erzeugten Dampfes in einem Turbinengenerator kann man Energie erzeugen.

In Siedewasser-Reaktoren sind zwei verschiedene Anordnungen der Gruppen von vier Brennelementbündeln benutzt worden. Die älteste Art ist die sogenannte D-Gitter-Brennelementbündel­ anordnung. Bei dieser Anordnung bildet der kreuzförmige Zwischenraum für die Steuerstäbe einen größeren Abstand zwi­ schen den Brennelementbündeln als dies zwischen Brennelement­ bündeln der Fall ist, in deren Zwischenräume keine Steuer­ stäbe eingeführt werden. Bei solchen im D-Gitter angeordneten Brennelementbündeln hat sich das Problem der ungleichmäßi­ gen Spitzenleistungen der einzelnen den Kernbrennstoff ent­ haltenden Stäbe ergeben.

Dieses Spitzenleistungs-Problem besteht in folgendem: Spalt­ reaktionen, wie sie in Siedewasser-Reaktoren benutzt werden, erzeugen schnelle Neutronen. Spaltreaktionen werden jedoch durch langsame Neutronen eingeleitet. Das in Siedewasser-Reak­ toren anwesende Wasser moderiert oder verlangsamt die erzeug­ ten schnellen Neutronen zu die Spaltung initiierenden langsa­ men Neutronen.

Stäbe innerhalb der Brennstoffkanäle in den Brennelementbün­ deln, die sich benachbart großer Volumina von Wasser befinden, werden üblicherweise mehr langsamen Neutronen ausgesetzt und in ihnen finden daher mehr Spaltreaktionen statt. Diese Stäbe weisen daher Spitzenleistungen auf.

Stäbe innerhalb des Brennstoffkanales in den Brennelementbün­ deln, die sich benachbart geringer Volumina von Wasser befin­ den, sind üblicherweise weniger langsamen Neutronen ausge­ setzt und es finden darin deshalb weniger Spaltreaktionen statt.

Diese Stäbe weisen daher keine Spitzenleistungen auf.

Das Problem der "Spitzenleistung" wird durch Variieren des Anreicherungsprofils der einzelnen Stäbe über das Brennele­ mentbündel vermindert. Üblicherweise wird das Anreicherungs­ profil so variiert, daß eine vernünftige Gleichmäßigkeit der Reaktion sichergestellt ist.

Unglücklicherweise nimmt die Gesamtenergieabgabe oder "Wirk­ samkeit" eines Brennelementbündels mit variierendem Anrei­ cherungsprofil, insbesondere einem, das nicht mehr im wesent­ lichen gleichmäßig und symmetrisch ist, ab. Nimmt die Wirksam­ keit ab, vermindert sich auch die Gesamtleistungsabgabe und/ oder die Brennstofferneuerung muß häufiger stattfinden.

Die neuere Brennelementbündelanordnung erfolgt in einem soge­ nannten C-Gitter. Bei dieser Art von Anordnung haben die kreuz­ förmig gestalteten Zwischenräume, in die der Steuerstab einge­ führt wird, einen Abstand zwischen den Brennelementbündeln, der gleich dem Abstand zwischen Brennelementbündeln ist, in den keine Steuerstäbe eingeführt werden. Solche Reaktoren wei­ sen das "Spitzenleistungs"-Phänomen weniger ausgeprägt auf und sie nutzen die Anreicherung ihres Brennstoffes wirksamer.

Sowohl in Reaktoren mit C-Gitter als auch solchen mit D-Git­ ter muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß die vier be­ nachbarten Brennelementbündel, zwischen die ein Steuerstab ein­ geschoben wird, nicht zu sehr in das kreuzförmig gestaltete Zwischenvolumen eindringen. Insbesondere wird alles unternom­ men, das Verbiegen der Brennstoffkanäle in das kreuzförmige Volumen zu vermeiden, das für die Steuerstäbe vorgesehen ist. Der Grund für eine solche Sorgfalt ist klar: Sollte der Steuer­ stab nicht ohne merkliche Reibung in das Zwischenraumvolumen eindringen können, dann wird er nicht mehr für verschiebbar angesehen und führt, vollkommen eingeschoben, zu einem Verlust an Energie.

Es ist bekannt, exzentrisch montierte Einlässe oder untere Gitterplatten an Brennstoffkanälen in Siedewasser-Reaktoren mit D-Gitter anzuordnen. Solche exzentrisch montierten Ein­ lässe wurden benutzt, um größere Brennelementbündel anstelle der ursprünglich vorgesehenen kleineren Bündel zu benutzen (vgl. US-PS 45 60 532). Das Einführen solcher versetzten und größeren Brennstoffkanäle kann jedoch die Strömungsgeschwin­ digkeiten und Wasservolumina des ursprünglich vorgesehenen Reaktors verändern. Diese Strömungsgeschwindigkeiten und Wasservolumina ändern sich sowohl innerhalb als auch außer­ halb der Brennelementbündel. Diese Änderungen können mögli­ cherweise toleriert werden, wenn alle Brennelementbündel auf einmal ausgetauscht werden. Der Ersatz einiger, nicht aber aller Brennelementbündel verursacht jedoch Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, die merklich von den ursprünglich vorgesehenen abweichen.

D-Gitter-Reaktoren haben obere Führungsteile und Kernträger- Gußkörper, die die Brennelementbündel auf der Kernplatte tra­ gen, die bei der Konstruktion des Reaktors eine spezielle Konfiguration erhalten haben. Wegen der ursprünglichen Aus­ führung gibt es in der Industrie eine ausgeprägte Abneigung gegen Rekonfigurationen des Kernes jeglicher Art.

Diese Abneigung gegen Rekonfigurationen des Kernes ist durch die Erfahrung gut begründet. Reaktoren werden üblicherweise bis zu 15 Monaten ohne Brennstofferneuerung betrieben. Danach muß man den Reaktor für eine gewisse Zeit zur Brennstoffer­ neuerung abstellen, was etwa 3 Monate erfordert. Diese Still­ standzeiten des Reaktors zur Brennstofferneuerung sind un­ glaublich teuer. Erinnert man sich daran, daß während einer solchen Stillstandzeit etwa ein Drittel der Brennelementbün­ del ersetzt wird, dann ist es undenkbar, den Reaktor ausrei­ chend abgestellt zu lassen, um den Kern neu zu ordnen (zu re­ konfigurieren). Dies trifft besonders zu, wo die erforderliche Stillstandszeit das Dreifache der normalen beträgt und nur zu einer relativ geringen Verbesserung - in der Größenordnung von 2% - der Reaktorwirksamkeit führt.

Diese Abneigung gegen eine Kern-Rekonfiguration ist besonders ausgeprägt in bezug auf die Zwischenräume für den kreuzförmi­ gen Steuerstab. In der Vergangenheit hat man es insbesondere vermieden, auf das zwischen benachbarten Brennelementbündeln für die Steuerstab-Bewegung gelassene Volumen überzugreifen. Auch die Praxis des "Vorbiegens" der Kanäle wurde ausgeführt, um den Abstand der Steuerstäbe sicherzustellen.

Die Praxis des "Vorbiegens" bedeutet die Brennstoffkanäle, die aus einer unter dem Namen Zircalloy bekannten Legierung herge­ stellt werden, untersucht man auf Umgebungsverbiegen zur Zeit der Installation. Dieses Verbiegen oder Abweichen von der wahren Vertikalen wird dann bei der Anordnung der hergestellten Brennelementbündel unter Verwendung der Kanäle benutzt. Im besonderen sind die Kanäle so ausgerichtet, daß sie von den kreuzförmigen Zwischenräumen weggebogen sind, um so den Ab­ stand für die Steuerstäbe sicherzustellen.

Es ist also keine Frage der Sicherheit sondern eine der Be­ einträchtigung der Gesamt-Reaktorenergie. Sollte der Kontroll­ stab nicht ohne merkliche Reibung in das Zwischenraumvolumen eingeschoben werden können, wird er für unwirksam angesehen und vollständig eingeführt, was zu einem Verlust an Energie führt.

Üblicherweise werden Steuerstäbe periodisch betätigt. Bei einer solchen Betätigung werden sie mit relativ großer Kraft durch Antriebe eingeführt, bis sie die erwünschte Steuerposi­ tion in den kreuzförmig gestalteten Zwischenräumen erreichen. Nach Erreichen der erforderlichen Einführungsposition läßt man sich die Stäbe an einem mechanischen Anschlag unter der Wirkung der Schwerkraft absetzen. Setzen sich die Steuerstäbe aus irgendeinem Grunde, wie wegen mangelnden Abstandes zwi­ schen den Brennelementbündeln, nicht ab, werden sie als "un­ wirksam deklariert". Nach einer solchen Deklaration müssen die Steuerstäbe vollständig eingeführt werden. Diese Einfüh­ rung erfolgt unter großer Energie von Seiten der Steuerstab- Antriebe. Es ist daher praktisch unbekannt, daß die Steuer­ stab-Einführung nicht stattfindet. Bis eine Brennstofferneue­ rung ausgeführt wird und die Steuerstäbe repariert werden können, beeinträchtigen die vollkommen eingeführten Steuer­ stäbe die Energieabgabe des Reaktors. Ein vernünftiger Be­ trieb erfordert natürlich, daß eine solche Beeinträchtigung der Energieabgabe vermieden wird.

In der vorliegenden Erfindung wurde hinsichtlich der Brenn­ stofferneuerung bei Kernreaktoren mit D-Gitter festgestellt, daß das Trimmen der einzelnen Brennelementbündel in Richtung auf das vergrößerte Zwischenraumvolumen mit kreuzförmigem Querschnitt, das zum Einführen der Steuerstäbe benutzt wird, unerwartete Verlängerungen bei möglichen Anreicherungen der Brennelementbündel erzeugt. Diese Feststellung wird ergänzt durch die offenbarte Brennstoffverteilung. Es wurde festge­ stellt, daß Verschiebungen jedes Brennelementbündels diago­ nal um etwa 1,425 mm (entsprechend 57 tausendstel Zoll) in Richtung auf die kreuzförmigen Steuerstab-Volumina eine An­ reicherung gestattet, die eine 2,0%ige Verlängerung der Le­ bensdauer in einem Brennelementbündel mit sich bringt. Über die Gesamtheit eines D-Gitter-Reaktors mit 764 einzelnen Brennelementbündeln ergeben sich beträchtliche Ersparnisse. Nimmt man beispielsweise eine Änderung in der Anreicherung von 1,5% an, dann bedeutet eine 2%ige Verlängerung der Le­ bensdauer bei einem Brennelementbündel Ersparnisse von etwa 4000 Dollar für dieses Brennelementbündel. Über einen ganzen Reaktor können die Brennelementbündel-Ersparnisse sich zu 3 000 000 Dollar für die vollständige Brennstofferneuerung summieren, wenn man den versetzten Kanal nach der vorliegen­ den Erfindung benutzt.

Es wurde weiter festgestellt, daß man durch Bewegen der Brenn­ elementbündel aufeinander zu und in den Toleranzbereich hin­ ein, der bisher für die Steuerstäbe benutzt wird, das Problem des Brennstoffkanal-Verbiegens vermindert. Insbesondere wer­ den die Ungleichförmigkeiten des Flusses schneller Neutronen an den Brennstoffkanälen vermindert. Es ist bekannt, daß ein Fluß schneller Neutronen durch einen Brennstoffkanal die metallurgische Verlängerung des Kanals verursacht. Durch Be­ wegen der Brennelementbündel näher zueinander wird der Gra­ dient des schnellen Flusses durch die Kanäle vermindert. Durch Vermindern des Gradienten des schnellen Flusses wird die Neigung des Kanales sich zu verbiegen, d.h. unter dem Neutronenbeschuß sich auf einer Seite mehr zu dehnen als auf der anderen, gleichermaßen vermindert. Somit hat das versetz­ te Brennelementbündel nach der vorliegenden Erfindung die recht überraschende Neigung, auch das Verbiegen des Bündels zu vermindern.

Das Verbiegen des Kanales ist autokatalytisch. Je mehr sich die Kanäle biegen umso größer ist der Gradient durch den ver­ bogenen Kanal. Je größer der Gradient umso rascher erfolgt das Verbiegen. Es ist daher klar, daß ein möglichst geringes anfängliches Verbiegen kritisch ist.

Es ist klar, daß das Auffinden einer Lösung ebenso sehr eine Erfindung darstellen kann wie die spezifische Ausführungsform, mit der diese Lösung in die Tat umgesetzt wird. Als Erfin­ dung wird daher die vorbeschriebene Feststellung beansprucht.

Es werden eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Montieren eines Brennelementbündels in einem Siedewasser-Reaktor mit D-Gitter offenbart. Im besonderen wird ein solches Brennelementbündel diagonal am Oberteil und am Bodenteil versetzt in Richtung auf die kreuzförmig ausge­ bildeten Steuerstab-Zwischenräume. Die Versetzung am Boden­ ende des Brennelementbündels erfolgt mittels einer exzen­ trisch zentrierten unteren Gitterplatte und einem Flüssig­ keitseinlaß dort zum Anpassen an die Kernplatte am Bodenende des Bündels. Die Versetzung am oberen Ende des Brennelement­ bündels erfolgt durch Trimmelemente in der Nähe des oberen Endes des Kanales an den oberen Fuhrungsteilen und durch eine geänderte Kanalklammer. Die offenbarte Kanal-Baueinheit kann während Brennstofferneuerungszyklen installiert werden, wobei der versetzte Kanal anstelle von üblichen D-Gitter-Kanälen nach dem Stande der Technik eingesetzt wird. Das Einsetzen von ein oder mehreren versetzten Kanälen erfolgt bei einem jeden Brennstofferneuerungszyklus in jeweils einer Gruppe von vier Kanälen. Folglich ergibt sich am Ende von maximal vier Brennstofferneuerungszyklen eine komplette Installation der versetzten Kanäle. Mit zunehmender Ersetzung der ursprüng­ lichen durch die erfindungsgemäßen Kanäle erhält man eine verbesserte Wirksamkeit jeder Brennstoffkanal-Einheit, was zu einer insgesamt 2%igen Verlängerung der Lebensdauer mit entsprechenden Ersparnissen führt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Offenbarung einer Modifikation eines Brennelementbündel-Abstandes in einem Kernreaktor ohne Änderung des Gesamtreaktors. Dementsprechend wird ein modifiziertes Brennelementbündel offenbart, das beim Anordnen in einem D-Gitter-Reaktor diesen Reaktor in Richtung auf eine C-Gitter-Konfiguration modifiziert. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist der Brennstoffkanal an den beiden Seiten, die benachbart dem oberen Führungsteil liegen, mit Trimmelementen versehen. Diese Trimmelemente mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 1 mm (entsprechend 40 tausend­ stel Zoll) sind auf den beiden Kanalseitenwänden montiert, die einer Außenecke des Brennstoffkanales zugewandt sind. Eine Kanalklammer und ein Abstandszapfen mit verringerter Abmessung halten die Brennelementbündel im Abstand voneinander, um das erforderliche Zwischenraumvolumen für den kreuzförmigen Steuerstab zu begrenzen. Am Bodenende eines Brennstoffkanales ist ein versetztes Gitterplatten-Einlaßstück montiert. Dieses Einlaßstück ist in Richtung der gleichen Ecke des Brennelement­ bündels versetzt, in der sich auch die Trimmelemente befinden. Man erhält ein Brennelementbündel, das beim Anordnen auf dem Kernträger-Gußkörper an dem versetzten Gitterplatten-Einlaß­ stück und am oberen Gitterteil durch die Trimmelemente in Richtung auf die kreuzförmigen Zwischenräume für den Steuer­ stab versetzt ist.

Ein primärer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, daß damit eine stückweise Rekonfiguration des Reaktor­ kernes während der Brennstofferneuerung stattfindet. Es sind keine großen Änderungen des Kernes erforderlich. So werden z.B. Reaktor-Komponenten, wie das obere Führungsgitter und die Kernträger-Gußkörper,weder verändert noch modifiziert.

Ein Vorteil der offenbarten Brennelementbündel ist, daß sie keine Vergrößerung oder Modifikation der ursprünglich vorge­ sehenen Brennelementbündel für einen D-Gitter-Kern bedeuten. Sie bedingen nur eine Versetzung der ursprünglich für den D-Gitter-Kernreaktor vorgesehenen Bündel. Folglich wird das erforderliche Gleichgewicht der Flüssigkeitsströmungen und Volumina innerhalb des Brennstoffkanales und der Strömungs­ mittelflüsse und Volumina außerhalb dieses Kanales aufrecht­ erhalten.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Offen­ barung ihrer Anwendung beim Brennstofferneuern und während Brennstofferneuerungszyklen. Gemäß dieses Aspekt der Erfin­ dung werden die Brennelementbündel mit der Versetzungsvor­ richtung, die in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, jeweils einzeln bei jedem Brennstofferneuerungszyklus einge­ führt. Bei einem solchen Brennstofferneuerungszyklus ist es üblich,entweder eines oder zwei von vier Brennelementbündeln zu ersetzen, wobei diese vier Bündel um einen Steuerstab grup­ piert sind. Die Brennstofferneuerungszyklen, die üblicherwei­ se in 18-monatigen Intervallen stattfinden, ermöglichen die schrittweise Anordnung der modifizierten Brennstoffkanäle mit ihrer Brennstoff sparenden Versetzung.

Ein zusätzlicher und überraschender Vorteil besteht darin, daß durch Hineinragen in den ursprünglich erforderlichen Steuerstab-Toleranzbereich das mit dem Verbiegen der Brenn­ stoffkanäle verbundene Problem vermindert wird. Folglich wird auch eine Brennstoffunwirksamkeit, die auf eine Kanalverbie­ gung zurückzuführen ist, vermindert.

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

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kernreaktors nach dem Stande der Technik mit einem D-Gitter, die zwei vollständige Gruppen von vier benachbarten Brennelementbündeln zeigt, wobei jede Vierergruppe ein dazwischen liegendes Volumen mit kreuzförmigem Querschnitt begrenzt, in dem ein Steuerstab in einer teilweise eingeführten Position gezeigt ist, um die Reaktion innerhalb der Brennelementbündel zu moderieren;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des verbesserten Brennelementbündels nach der vorliegenden Erfin­ dung mit oberen Trimm- bzw. Kompensationselementen in der Nähe des oberen Führungsteiles zum Ver­ setzen des Oberteiles des Kanales diagonal in Rich­ tung zum kreuzförmigen Zwischenvolumen, das vom Steuerstab benutzt wird und mit einer exzentrischen Einlaßgitterplatte zum Versetzen des Bodenteiles des Kanales diagonal zu dem genannten Zwischenvo­ lumen kreuzförmigen Querschnittes hin,;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 2, die die exzentrische Konstruktion des Gitter­ platteneinlasses veranschaulicht, um das Bodenteil des Brennelementbündels an der Kernplatte in Rich­ tung zum kreuzförmigen Zwischenvolumen für den Steuerstab zu versetzen;

Fig. 4A-4D eine Reihe von Darstellungen, die die aufein­ anderfolgenden Einführungen der verbesserten Brenn­ elementbündel nach der vorliegenden Erfindung wie­ dergibt, um die erhöhten Wirksamkeiten durch die versetzten Kanäle der Brennelementbündel zu rea­ lisieren,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der verbesserten Wirksamkeit, die sich aus der größeren Anreiche­ rung ergibt, die aufgrund der versetzten Brenn­ elementbündel der vorliegenden Erfindung tolerier­ bar ist und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der unteren Gitter­ plattenträger.

Fig. 1 gibt eine Draufsicht eines Reaktors in der Nähe eines oberen Führungsteiles G wieder. Die Darstellung der Fig. 1 zeigt nur einen kleinen Bruchteil des oberen Führungsteiles eines Reaktors mit 12 Brennelementbündeln.

Das obere Führungsgitter G ist horizontal angeordnet. Es schließt sich parallel in einer Richtung erstreckende Platten 14, 16 und 18 ein. Diese Platten erstrecken sich in der Zeich­ nungsebene und bilden die oberen Seitenverstrebungen für die Brennelementbündel.

Die parallel verlaufenden Platten 14, 16 und 18 werden senk­ recht durch parallele Platten 24 und 26 geschnitten. Weitere parallele Platten sind nicht gezeigt, doch ist zu berücksich­ tigen, daß nur ein geringer Teil des Reaktors am oberen Füh­ rungsgitter dargestellt ist. Auch die letztgenannten Platten erstrecken sich in der Zeichnungsebene und bilden obere Sei­ tenverstrebungen für die Brennelementbündel. Die Platten 14, 16, 18 sowie 24, 26 weisen gegenüberliegende Ausnehmungen auf, mit deren Hilfe die sich senkrecht schneidenden Platten ein Gesamtgitterrost bilden.

Unter Bezugnahme auf die quadratische Gitterrost-Struktur, die durch die Platten 14, 24, 16 und 26 gebildet wird, kann ein übliches Brennelementbündel mit D-Gitter verstanden werden.

Die dargestellte Struktur befindet sich am oberen Ende der Brennelementbündel.

Innerhalb der Platten 14, 24, 16 und 26 sind die oberen Enden von vier Brennelementbündeln A 1, A 2, A 3 und A 4 angeordnet. Diese Bündel schließen jeweils einen sie umgebenden Kanal 30 ein, die eine Reihe sich vertikal erstreckender rohrförmiger Hüllen enthalten. Diese rohrförmigen Hüllen sind an beiden Enden mit Stopfen verschlossen und enthalten das spaltbare Material.

Jedes Brennelementbündel A 1 bis A 4 schließt entsprechende Ka­ näle 30 ein. Die jeweiligen Kanäle 30, wie sie an der Außen­ seite durch die Gitterteile 14, 24, 16 und 26 gebunden sind, sind an den oberen inneren benachbarten Ecken mit üblichen Kanalklammern 36 verbunden. Die Kanalklammern 36 sind feder­ belastet und dienen dazu, die Kanäle 30 der Brennelementbün­ del in dem für das D-Gitter erforderlichen Abstand zu halten. Die erforderlichen kreuzförmigen Zwischenräume für den Kon­ trollstab 40 werden aufrechterhalten.

Die Kernreaktion muß gesteuert werden. Deshalb werden Steuer­ stäbe 40 von üblicherweise kreuzförmiger Gestalt in den Reak­ tor eingeführt bzw. daraus herausgezogen, um die erwünschte Steuerung zu bedingen.

Wie ersichtlich befinden sich benachbart den Brennelementbün­ deln A 3 und A 4 die Brennelementbündel A 5 und A 6. Es ist der Unterschied in der räumlichen Trennung zwischen den Brennele­ mentbündeln A 3 und A 4 auf der einen Seite und den Bündeln A 5 und A 6 auf der anderen Seite, der dem sogenannten "D-Gitter"- Kernreaktorkern seine besondere geometrische Ausbildung gibt.

Um genügend Raum (tatsächliche Abmessung plus Toleranz) für den Eintritt des Steuerstabes 40 in die Zwischenräume zwischen benachbarten Brennelementbündeln A 1, A 2, A 3 und A 4 zu schaf­ fen, wurde ursprünglich ein relativ breiter Spalt zwischen den jeweiligen Kanälen 30 belassen. Dieser Spalt betrug üblicher­ weise etwa 18 mm (entsprechend 0,75 Zoll).

Befindet sich jedoch ein Stab 14, 16, 18, 24, 26 usw. zwischen zwei benachbarten Brennelementbündeln (wie im Falle der Brenn­ elementbündel A 3 und A 6), dann ist ein derart weiter Spalt nicht erforderlich. Dieser Spalt wurde daher verengt und be­ trägt üblicherweise etwa 9 mm (entsprechend 0,374 Zoll).

Auf diese Weise erhält man die Konfiguration der dargestell­ ten D-Gitter-Kernzellen und die darin enthaltenen Brennele­ mentbündel. Es gibt weite Spalte, wo sich die Steuerstäbe be­ finden und enge Spalte, wo keine Steuerstäbe vorhanden sind.

Etwa 3,60 m (entsprechend 12 US-Fuß) unterhalb des oberen Führungsteiles befindet sich eine Kernplatte 17 mit einem den Kern tragenden Gußteil. Die Kernplatte 17 bildet die Trägerstruktur für die unteren Enden der Brennelementbündel A. Beim Entwurf der D-Gitter-Kernreaktoren war die Kernplat­ te mit einem einzelnen Loch versehen, durch das der Steuer­ stab geführt wurde, so daß die Kernplatte den Kernträger- Gußkörper abstützte und das Einströmen von Wasser durch den Gußkörper zum Einlaß der Bodengitterplatte des Steuerstabes gestattete. Im Hinblick auf Fig. 6 ist die schematische Dar­ stellung einer unteren Kernplatte 17 leicht verständlich. Die­ se Platte schließt eine Anzahl kreisförmiger Einlagen 34 auf. Diese Einlagen können direkt auf der Kernplatte montiert wer­ den und nehmen die Form von Gußkörpern an.

Die kreisförmigen Einlagen 34 sind die Öffnungen, denen die untere Gitterplatte gegenübersteht. Insbesondere durch Anord­ nung eines zylindrischen Vorsprungs 72 der unteren Gitterplat­ te erfolgt sowohl das Zentrieren als auch das Abstützen des Brennelementbündels. Es ist Vorsorge getroffen für das Bewe­ gen des Steuerstabes 28 in die und aus den Zwischenräumen zwischen benachbarten Brennelementbündeln an der kreisförmi­ gen Öffnung 32.

Die untere Gitterplatte des Brennelementbündels erfüllt drei Funktionen. Als erstes trägt sie das Gewicht der Brennele­ mentbündel A 1 bis A 4. Zweitens gestattet das Innere der Öff­ nungen 51 bis 54 den Eintritt von Wasser in jedes der Brenn­ elementbündel A 1 bis A 4 und damit die Erzeugung von Dampf. und drittens gestattet ein kleines Loch in der unteren Gitter­ platte die Wasserströmung zwischen den Brennelementbündeln. Diese Wasserströmung ist wichtig, um die Kernreaktion außer­ halb der benachbarten Brennelementbündel richtig zu moderie­ ren.

Der Leser wird verstehen, daß die inneren Strukturen solcher Reaktoren außerordentlich schwierig zu modifizieren sind. Außer radioaktiv zu sein machen die Stellen, wo die Oberflä­ chen und das Gewicht der Brennelementbündel getragen werden, eine Änderung nicht praktikabel. Folglich ist ein Ersetzen der Kernplatte, des Kernträger-Gußkörpers und des oberen Führungsteiles für eine Wirksamkeitsänderung nicht prakti­ kabel.

Gleichzeitig werden die Brennelementbündel A 1 bis A 4 häufig als Teil des Brennstofferneuerungsverfahrens ersetzt. Im einzelnen kann ein solches Ersetzen beispielsweise bei drei­ monatigen Brennstofferneuerungszyklen erfolgen, zwischen de­ nen jeweils 18 Monate dauernde Betriebsperioden liegen. Vier solche Brennstofferneuerungszyklen können üblicherweise das Erneuern des Brennelementbündels A 1 als erstes, das Erneuern des Brennelementbündels A 3 als zweites, das Ersetzen des Brennelementbündels A 2 als drittes und schließlich das Er­ setzen des Brennelementbündels A 4 als viertes einschließen. Am Ende einer zweÿährigen Erneuerungsperiode sind alle Brennelementbündel ausgetauscht.

Nach Erläuterung dieses erforderlichen Hintergrundes kann nun die Erfindung beschrieben werden.

Als erstes wird das Endstück des Brennelementbündel-Kanales unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Danach wird mit Bezug auf Fig. 3 die Gitterplatte erläutert, die in die Öffnungen 51 bis 54 paßt. Es wird gezeigt, daß diese Kanäle und Gitter­ platten die Brennelementbündel in Richtung auf die Steuerstä­ be versetzen.

Als zweites wird mit Bezug auf die Fig. 4A bis 4C der stufenweise Einsatz der so modifizierten Brennelementbündel für die älteren Bündel veranschaulicht. Es wird gezeigt, daß der Einsatz der Erfindung leicht in den üblichen Brennstoff­ erneuerungszyklus paßt.

In Fig. 2 ist ein Brennelementbündel A 1 gezeigt. Dieses Brennelementbündel weist eine untere Gitterplatte 60 mit einem Einlaß (wobei die Platte detaillierter mit bezug auf Fig. 3 beschrieben wird) sowie einen Kanal 30 mit recktecki­ gem Querschnitt auf. Das Brennelementbündel ist auf einer Seite liegend dargestellt.

An den Wänden 62 und 64 des Kanales sind am oberen Endstück Trimm- bzw. Kompensationselemente 66 und 68 angeordnet. Die jeweiligen Trimmelemente 66 und 68 liegen auf gleicher Höhe wie das obere Führungsteil G des Siedewasser-Reaktors und versetzen das obere Ende des Brennelementbündels A 1 diagonal weg von den Wänden 62 und 64. Die Trimmelemente sind an ihrem unteren Ende vorzugsweise abgeschrägt, um während der Einfüh­ rung durch das obere Gitterteil G und auf die Kernplatte eine mechanische Behinderung mit dem oberen Führungsgitter G zu vermeiden.

Üblicherweise haben die Trimmelemente eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,5 mm, wobei in der vorliegenden Anmel­ dung eine Dicke von etwa 1 mm bevorzugt wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird deutlich, daß die Trimmele­ mente 66 und 68 mit dem oberen Führungsgitter G ausgerichtet sind. Es wird deutlich, daß sich das Brennelementbündel oben diagonal in Richtung auf den jeweiligen Steuerstab zu bewegen wird.

Gleichzeitig ist ersichtlich, daß die Einlaß-Gitterplatte 60 eine exzentrische Konstruktion aufweist, wie am besten in Fig. 3 erkennbar.

Gemäß Fig. 3 schließt die Einlaß-Gitterplatte 60 eine koni­ sche Oberfläche 70 mit einem kurzen zylindrischen Vorsprung 72 ein. Dieser zylindrische Vorsprung 72 ist bei 74 offen und mit drei symmetrischen Brückenteilen 75, 76 und 77 versehen, die alle bei 78 miteinander verbunden sind.

Die exzentrische Konstruktion des Nasenstückes 60 ist unter Verwendung diagonaler durchs Zentrum gehender Linien 80 und 81 verständlich. Im besonderen liegt der zylindrische Vorsprung 72 exzentrisch, wie mit Bezug auf den Schnittpunkt der durch das Zentrum gehenden Linien 80 und 81 erkennbar. Im besonderen ist das Zentrum der Einlaß-Gitterplatte 60 längs der durch das Zentrum gehenden Linie zu den Kanalwänden 62 und 64 hin ver­ setzt.

Die dargestellte exzentrische Konstruktion gestattet eine An­ zahl von Ausführungsformen. So kann z.B. der gesamte Gußkörper exzentrisch gegossen sein, wie in Fig. 3 gezeigt. Alternativ kann man den Gußkörper konzentrisch gießen und durch Bearbei­ tung exzentrisch ausbilden.

Die Draufsicht der Fig. 3 gibt eine Ansicht unmittelbar an den jeweiligen Kanalwänden hinab. Die jeweiligen Trimmelemente 66 und 68 können daher am entfernten Endstück des Brennelement­ bündels gesehen werden. Diese Trimmelemente 66 und 68 liegen am oberen Führungsteil G an, um die Versetzung zu bewirken.

Nach Erläuterung der Konstruktion sowohl der Einlaß-Gitterplat­ te 60 als auch der Trimmteile 66 und 68 ist die Versetzung leicht verständlich. Im besonderen versetzt die Einlaß-Gitter­ platte 60 den Kanal des Bündels am Boden in Richtung des Pfei­ les 90. Die Trimmteile 66 und 68 versetzen jeweils die oberen Enden der Brennelementbündel ebenfalls in Richtung des Pfeiles 90. Folglich tritt eine gleiche vertikale und diagonale Ver­ setzung der Kanäle der Brennelementbündel zu den kreuzförmigen Zwischenräumen für den Steuerstab hin auf.

In Würdigung des verbesserten Brennelementbündels A 1, das in Fig. 2 dargestellt ist, als dem verbesserten Gegenstand nach der vorliegenden Erfindung, sollen nun die Fig. 4A, 4B, 4C und 4D erläutert werden.

Fig. 4A veranschaulicht eine Gruppe von vier Brennelementbün­ deln. Diese Gruppe ist identisch den Brennelementbündeln A 1, A 2, A 3 und A 4. Diese Identität hat eine Ausnahme. Insbesondere in Fig. 4A und am Ende der ersten Brennstofferneuerung wurde für das Brennelementbündel A 1 das verbesserte Brennelementbün­ del A′1 gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Damit sind von jeweils vier Brennelementbündeln drei solche nach dem Stande der Technik und eines gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet.

In Fig. 4B sind zwei verbesserte Brennelementbündel A′1 und A′3 installiert. Diese verbesserten Brennelementbündel werden üblicherweise während eines Brennstofferneuerungszyklus diago­ nal zueinander installiert. Wie Fig. 4B zeigt, sind zwei üb­ liche Brennelementbündel A 2 und A 4 übriggeblieben.

In Fig. 4C ist für das Brennelementbündel A 2 ein drittes Brennelementbündel A′2 eingesetzt worden.

Schließlich hat, wie Fig. 4D zeigt, ein vollständiger Ersatz der Brennelementbündel stattgefunden, so daß sich nun die ver­ besserten Bündel A′1 bis A′4 in der Vierergruppe befinden.

Der Ersatz gemäß den Fig. 4A bis 4D findet üblicherweise während vier sogenannten Brennstofferneuerungszyklen statt, und dies mag bis zu sechs Jahre erfordern.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die gesamte Wasser­ strömungs-Querschnittsfläche innerhalb der jeweiligen Brenn­ elementbündel und die gesamte Wasserströmungs-Querschnittsflä­ che außerhalb der Brennelementbündel in den Fig. 4A, 4B, 4C und 4D unverändert bleibt. Dies gestattet den Betrieb des Reaktors bei gleichen Wasservolumina und Strömungsgeschwin­ digkeiten während der vier Brennstofferneuerungszyklen, die zu einer vollständigen Kanalersetzung führen.

Bei dieser besonderen Neuerung sind die Abmessungen von Bedeu­ tung. Im einzelnen beträgt der ursprüngliche Abstand zwischen benachbarten Brennelementbündeln an den Zwischenräumen für den kreuzförmigen Steuerstab beim D-Gitter-Reaktor etwa 19 mm (entsprechend 0,75 Zoll). In diesen Abstand wird ein Steuer­ stab mit einer Breite von etwa 8 mm (entsprechend 0,312 Zoll) bewegt. Betrachtet man den Fall eines Brennelementbündels, dann enthält ein Abstand von etwa 9,5 mm (entsprechend 0,375 Zoll) (die Hälfte des Gesamtabstandes von Brennelementbündel zu Brennelementbündel) etwa 4 mm (entsprechend 0,156 Zoll) Steuer­ stabblatt (die Hälfte des Blattes), was theoretisch etwa 3 mm (entsprechend 0,119 Zoll) freien Raum zwischen dem Brennelement­ bündel und einem genau zentrierten Steuerstabblatt läßt.

In der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Versetzung des Brennelementbündels zu diesem Raum hin um etwa 1 mm (entspre­ chend 0,040 Zoll). Damit verbleibt ein freier Raum von etwa 2 mm (entsprechend 0,079 Zoll) (etwa 3 mm minus etwa 1 mm) (entsprechend 0,119 minus 0,04 Zoll).

Nach Einsatz des versetzten Brennelementbündels gemäß der vor­ liegenden Erfindung beträgt der Spalt zwischen zwei benachbar­ ten Brennelementbündeln über den Kontrollstab etwa 17 mm (ent­ sprechend 0,67 Zoll) (von den ursprünglichen etwa 19 mm)(ent­ sprechend 0,75 Zoll). Der Spalt zwischen zwei benachbarten Brennelementbündeln ohne Steuerstab dazwischen beträgt dann etwa 12 mm (entsprechend 0,474 Zoll) (eine Verbreiterung von den ursprünglichen etwa 9,5 mm (entsprechend 0,375 Zoll)).

Würden die Abmessungen des D-Gitter-Reaktors um etwa 2,4 mm (entsprechend 0,094 Zoll) verringert werden, dann würde der D-Gitter-Reaktor ein C-Gitter-Reaktor werden. Indem man die Versetzung im Bereich von etwa 1 mm (entsprechend 0,04 Zoll) vornimmt, erhält man mit der dargestellten bevorzugten Aus­ führungsform eine Wirksamkeit nahe der des C-Gitter-Reaktors.

Ein großer Teil der Wirksamkeit könnte durch Versetzen von nur zwei der vier Brennelementbündel innerhalb einer ursprüng­ lichen Zelle erreicht werden. Würde man zwei Kanäle jeweils um etwa 2 mm (entsprechend 0,08 Zoll) versetzen, dann wäre der erhaltene Abstand zwischen benachbarten Brennelementbündeln der gleiche. In der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, alle Kanäle gleichmäßig zu versetzen, so daß die Zentrierung des Steuerstabes beibehalten wird.

Die in der vorliegenden Erfindung erhaltenen Ergebnisse könnte man auch erzielen, indem man ein Brennelementbündel um etwa 2,5 mm (entsprechend 0,1 Zoll) versetzt. Dies würde die äußer­ ste Grenze der Brennelementbündel-Versetzung darstellen, die akzeptabel wäre.

Durch die Versetzung jedes Brennelementbündels um etwa 1 mm (entsprechend 0,04 Zoll) in Richtung des Zwischenraumes für den kreuzförmigen Steuerstab erhält man eine diagonale Ver­ setzung von etwa 1,4 mm (entsprechend 0,056 Zoll) durch Einsatz des versetzten Kanales.

Die Versetzung der Brennelementbündel zueinander hat ein wei­ teres überraschendes Ergebnis. Das Problem des Kanalbiegens wird vermindert. Diese Verminderung des Biegens erhält man, weil der schnelle Fluß-Gradient, das ist der Dichte-Gradient der schnellen Neutronen, vermindert wird. Die Neigung eines stark gebogenen Kanals, weitere Neutronenunwirksamkeiten zu erzeugen, wird daher gleicherweise vermindert.

Fig. 5 gibt eine graphische Darstellung des verbesserten Ge­ samtwertes wieder. Im besonderen ist ersichtlich, daß nach vollständigem Ersatz der Brennelementbündel die Reaktivitäts­ änderung sich rasch der Leistungsfähigkeit eines C-Gitter-Reak­ tors nähert.

Claims (3)

1. Brennstoffkanal für einen Kernreaktor mit D-Gitter­ konfiguration, wobei der Abstand der Brennelement­ bündel innerhalb eines oberen Führungsgitters für die kreuzförmigen Zwischenräume zur Einführung eines Steuerstabes den Abstand der Brennelementbündel zwi­ schen den Zellen des oberen Führungsteiles übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelementbündel mindestens ein erstes und ein zweites Trimmelement (66, 68) auf der Außenseite der Brennelementbündel benachbart dem oberen Führungsgit­ ter aufweist, um die Bündel in Richtung auf das Zwi­ schenraumvolumen mit kreuzförmigem Querschnitt für den Steuerstab zu versetzen und eine untere Gitterplatte (60) einen exzentrischen Aufsatz aufweist, um den unteren Teil des genannten Brennelementbündels zum kreuzförmigen Zwischenraumvo­ lumen für den Steuerstab hin zu versetzen, wodurch das Oberteil und das Bodenteil des genannten Brenn­ elementbündels zum Zwischenraumvolumen für den Steuer­ stab mit kreuzförmigem Querschnitt versetzt sind, ohne den Reaktor in anderer Weise zu ändern.

2. Brennstoffkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung des Kanales etwa 2,5 mm nicht über­ steigt.

3. Brennstoffkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung des Kanales etwa 1 mm beträgt.