DE3825550C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffkassette, genauer eine Brennstoffkassette, die geeignet ist für den Einsatz in Siedewasserreaktoren.

Der obere Teil der Struktur einer herkömmlichen Brennstoff­ kassette für den Einsatz in Siedewasserreaktoren besteht, wie in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 58-1 13 891 offenbart ist, aus einem am oberen Ende der Brennstäbe vorgese­ henen oberen Verschlußstopfen und aus einer an jedem oberen Verschlußstopfen befestigten Druckfeder für die Aufnahme des Verschlußstopfens in eine obere Verbindungsplatte. In dem herkömmlichen Beispiel bleibt die Befestigung des Brennstabes auch dann gewährleistet, wenn in dem Brennstab eine große axiale Wärmeausdehnung entsteht, indem die Druckfeder in konischer Form ausgebildet wird.

In einer solchen Brennstoffkassette ist es jedoch notwen­ dig, den Druckverlust zu vermindern. Besonders in dem Fall, in dem die Brennstoffkassette in die Spaltzone eines Siede­ wasserreaktors eingebaut ist, ist der Druckverlust in dem Zweiphasenströmungsbereich (dem oberen Teil der Brennstoff­ kassette), in dem sowohl Flüssigkeit als auch Dampf vorhan­ den sind, größer als in dem Einphasenströmungsbereich, in dem in der Brennstoffkassette nur Flüssigkeit vorhanden ist.

Die Druckschriften DE-OS 20 18 324 und US 38 64 211 beschreiben jeweils Brennstoffelement-Aggregate, bei denen die Druckfeder am oberen Ende eines jeden Brennstoffelement-Aggregates der Druckfedern ist jedoch nicht ein Teil der Ummantelungsvorrichtung der eigentlich Brennstäbe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, erstens eine Brennstoffkassette zu schaffen, in der der Druckverlust vermindert werden kann, der durch die Anwesen­ heit einer für den oberen Verschlußstopfen angebrachten Schraubenfeder verursacht wird, zweitens eine Brennstoff­ kassette zu schaffen, in der der Druckverlust vermindert werden kann, der durch die Anwesenheit einer oberen Verbindungsplatte verursacht wird, und drittens eine Brennstoffkassette zu schaffen, in der die Bildung von Reibkorrosion in einem Brennstab begrenzt werden kann.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst, Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die schemati­ schen Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht der Struktur einer herkömmli­ chen Brennstoffkassette im Bereich eines oberen Verschlußstopfens;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 einen Kenndaten-Graphen, der die Beziehung zwischen der Reynoldsschen Zahl und dem Druckverlustkoeffizienten erläutert;

Fig. 4 eine Seitenschnittansicht, die eine Brenn­ stoffkassette gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung erläutert;

Fig. 5 eine genaue Ansicht der Struktur des in Fig. 4 gezeigten Teils der oberen Verbin­ dungsplatte;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 4 gezeigten Verschlußkappe;

Fig. 7 die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Druckverlustver­ minderung in dem oberen Teil der Brennstoff­ kassette und dem Zerfallsverhältnis der Spaltzone;

Fig. 8 und 9 perspektivische Ansichten der Verschlußkappe gemäß weiterer Ausführungsformen;

Fig. 10, 12, 17 bis 21 Ansichten der Struktur einer Brennstoff­ kassette im Bereich der oberen Verbindungs­ platte gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 11 einen Querschnitt entlang der Linie XI-XI von Fig. 10;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht der Verschluß­ kappe von Fig. 12;

Fig. 14 und 15 Ansichten der Struktur des oberen Teils eines Brennstabes einer Brennstoffkassette gemäß weiteren Ausführungsformen der vorlie­ genden Erfindung; und

Fig. 16 einen vertikalen Querschnitt der oberen Verbindungsplatte gemäß einer weiteren Aus­ führungsform.

Diese Erfindung wurde erreicht, nachdem genaue Untersuchun­ gen des Druckverlustes vorgenommen worden waren. Diese Untersuchungen wurden mit einer herkömmlichen Brennstoff­ kassette durchgeführt, in der die Brennstäbe in einer 8× 8-Konfiguration angeordnet sind. Insbesondere wurden die Komponenten des Druckverlustes in dem oberen Teil einer solchen Brennstoffkassette, der als Zweiphasenströmungs­ bereich dient, in welchem die Kühlflüssigkeit in Form von zwei Phasen (Flüssigkeit und Dampf) strömt, untersucht.

Vor der Beschreibung der Ergebnisse dieser Untersuchungen wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 die schematische Struktur einer herkömmlichen Brennstoffkassette für einen Siedewasserreaktor beschrieben. Eine obere Verbindungsplat­ te 1 weist eine Vielzahl von in einer Gitterstruktur ange­ ordneten zylindrischen Muffen 1A auf und erhält ihre Form dadurch, daß diese Muffen 1A miteinander durch Rippen 1B verbunden werden. Obere Verschlußstopfen der Brennstäbe 3 sind in Löcher 1C in den Muffen 1A eingefügt. Eine Druckfeder 5 in Form einer Schraubenfeder ist an den oberen Verschlußstopfen 4 angepaßt. Diese Druckfeder 5 steht mit einem Ende in Verbindung mit dem unteren Teil der Muffe 1A und bewirkt, daß der Brennstab 3 gegen die (nicht gezeigte) untere Verbindungsplatte, die in dem unteren Teil angeordnet ist, gedrückt wird.

In dem Zweiphasenströmungsbereich der Brennstoffkassette wird ein großer Druckverlust erzeugt. Der Erfinder hat den Druckverlust, der im Bereich der oberen Verbindungsplatte (im oberen Bereich der Brennstoffkassette), nämlich im Zweiphasenströmungsbereich, wo die Struktur sehr kompli­ ziert ist, auftritt, untersucht. Die Kühlflüssigkeit, die sich an den Brennstäben 3 vorbeibewegt hat, fließt durch den von den Muffen 1A und Rippen 1B umgebenen Strömungs­ bereich 1D und strömt dann in den Bereich oberhalb der Verbindungsplatte 1. Aus Fig. 1 wird deutlich, daß der Strömungsbereich in dem Teil, wo sich die oberen Verschluß­ stopfen 4 und die Brennstäbe 3 befinden, größer wird, während er kleiner wird in der oberen Verbindungsplatte 1. Der Strömungsbereich wird wieder größer an den Auslässen der oberen Verbindungsplatte 1. Daraus ergibt sich die Erzeugung eines Druckverlustes aufgrund der drei plötzli­ chen Änderungen im Strömungsbereich. Ferner werden ein durch die Anwesenheit der Druckfeder 5 erzeugter Druckverlust und ein durch die Reibung zwischen der Kühl­ flüssigkeit, den Wänden der Brennstäbe 3 und der oberen Verbindungsplatte 1 sich ergebender Druckverlust erzeugt. Die verschiedenen Typen des in dem oberen Teil einer her­ kömmlichen Brennstoffkassette (herkömmliche 8×8-Brenn­ stoffkassette) erzeugten Druckverlustes sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, tritt im wesentlichen kein auf die Reibung zurückzuführender Druckverlust auf. Der Druckverlust Δ P_s durch die Druckfeder 5 beträgt 12% des gesamten Druckverlustes im oberen Teil der Brennstoffkas­ sette.

Fig. 3 zeigt den gemessenen Druckverlustkoeffizienten einer Brennstoffkassette mit und ohne Druckfeder 5. Sie zeigt eine Änderung des oben beschriebenen Koeffizienten des Druckverlustes in bezug auf die Änderung der Strömungsrate der Kühlflüssigkeit. Der Druckverlustkoeffizient im oberen Ende der Brennstoffkassette ändert sich auch bei Anwesen­ heit der Druckfeder 5 im wesentlichen um 10%.

Eine Gruppe, der auch die Erfinder der vorliegenden Erfin­ dung zugehörten, hat verschiedene Strukturen, die eine Verringerung des Druckverlustes in dem Bereich, in dem die Druckfeder 5 befestigt ist, bewirken können, untersucht und in der Folge eine Struktur gefunden, bei der die Druckfeder von einer Ummantelung umgeben ist. Nun wird eine Ausfüh­ rungsform der Erfindung beschrieben, die eine Struktur oben genannten Typs aufweist.

In dieser Beschreibung einer Brennstoffkassette gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für den Einsatz in einem Siedewasserreaktor wird Bezug genommen auf die Fig. 4 und 5. Eine erfindungsgemäße Brennstoffkassette 10 weist eine obere Verbindungsplatte 1, Brennstäbe 2, eine untere Verbindungsplatte 11, Abstandshalter 12, eine Ver­ schlußkappe 13 und ein Kanalgehäuse 16 auf. Die obere Verbindungsplatte 1 weist, wie oben beschrieben, Muffen 1A und Rippen 1B auf. Die Brennstäbe 2 sind in einem quadrati­ schen Muster, d.h. in einer Konfiguration aus acht Reihen und acht Spalten angeordnet. Die oberen Verschlußstopfen 4 der Brennstäbe 2 werden durch die obere Verbindungsplatte 1, die unteren Verschlußstopfen 4A der Brennstäbe 2 durch die untere Verbindungsplatte 11 unterstützt. In axialer Richtung ist eine Vielzahl von Abstandshaltern 12 angeord­ net, um die Brennstäbe 2 in vorbestimmten Abständen zu halten. Ein an der oberen Verbindungsplatte 1 befestigtes Kanalgehäuse 16 umgibt das Bündel der durch die Abstands­ halter 12 verbundenen Brennstäbe 2. Die Brennstäbe 2 werden durch den oberen Verschlußstopfen 4 und den unteren Ver­ schlußstopfen 4A an den beiden Enden der Kapselung 2A eingeschlossen. Diese dichte Kapselung 2A wird mit einer Anzahl von Uranoxid enthaltenden Brennstoffkügelchen 2B gefüllt. Der obere Abschlußbereich der Kapselung 2A ist mit einer Gaskammer 2J versehen. In den Gaskammern 2J sind Schraubenfedern 2C angeordnet, welche die Brennstoffkügel­ chen 2B zusammendrücken. An den oberen Verschlußstopfen 4 ist eine Druckfeder 5 in Form einer Schraubenfeder ange­ bracht.

An den oberen Verschlußstopfen 4 ist eine Verschlußkappe 13 angebracht. Wie in Fig. 6 gezeigt, weist die Verschlußkappe 13 einen zylindrischen Ummantelungsbereich 13A und einen ringförmigen Abstützbereich 13B auf. Der Abstützbereich 13B ist am oberen Ende des Ummantelungsbereiches 13A angeord­ net. Durch Einfügung des oberen Verschlußstopfens 4 in ein in dem Mittelbereich ausgebildetes Loch 13C ist der Ab­ stützbereich 13B an dem oberen Verschlußstopfen 4 ange­ bracht. Die Druckfeder 5 ist in der Verschlußkappe 13 angeordnet und von dem Ummantelungsbereich 13A der Ver­ schlußkappe 13 umgeben. Das obere Ende der Druckfeder 5 steht mit dem Abstützbereich 13B in Verbindung, so daß die Verschlußkappe 13 gegen die Muffe 1A der oberen Verbindungs­ platte 1 gedrückt wird. Der Innendurchmesser des Ummante­ lungsbereiches 13A ist um einen bestimmten Betrag größer ausgebildet als der Außendurchmesser des Brennstabes 2, so daß die radiale Ausdehnung des Brennstabes 2 während des Betriebs des Reaktors aufgenommen wird und so die leichte Beweglichkeit des Brennstabes in der Verschlußkappe 13 gewährleistet bleibt, falls sich die axiale Länge des Brennstabes 2 aufgrund der Wärmeausdehnung in axialer Richtung ändert. Ferner stimmt der Außendurchmesser der Muffe 1A der oberen Verbindungsplatte 1 im wesentlichen mit demjenigen der Verschlußkappe 13 überein. Da es ausreicht, daß die Wandstärke der Verschlußkappe 13 im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit und die Festigkeit im wesentli­ chen 0,5 mm beträgt, beträgt der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser der Muffe 1A und demjenigen des Brennstabes 2, d.h. der Kapselung 2A, im wesentlichen 1,0 mm. Die Höhe der Verschlußkappe 13 ist so bemessen, daß auch dann keine Trennung der Verschlußkappe 13 von einem Bereich großen Durchmessers im unteren Abschlußbereich des oberen Ver­ schlußstopfens 4 erfolgt, wenn wegen einer Betriebsstille­ gung des Reaktors die Länge des Brennstabes 2 verkleinert ist. D.h., daß zur Zeit der Herstellung der Brennstoffkas­ sette 10 die Verschlußkappe 13 eine Höhe haben muß, die ausreicht, daß sie einen Teil 4G großen Durchmessers des oberen Verschlußstopfens 4 und die Kapselung 2A um 2,0 bis 3,0 cm umgibt. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist das untere Ende der Verschlußkappe 13 vorzugsweise mit einer schrägen Ober­ fläche 13D versehen, um die Erhöhung des Druckverlustes aufgrund der Abscheidung der Strömung der Kühlflüssigkeit zu verhindern. In diesem Fall kann die Verschlußkappe 13 und die Druckfeder 5 an dem oberen Verschlußstopfen 4 befe­ stigt werden. Dies ermöglicht eine leichte Durchführung der Montage der Brennstoffkassette.

Kraft der Bereitstellung der Verschlußkappe 13 kann die Änderung des Strömungsbereiches in der Nachbarschaft des oberen Verschlußstopfens 4 beseitigt werden, außerdem steht dadurch die Druckfeder 5 nicht in direktem Kontakt mit der Strömung der Kühlflüssigkeit. Daher können der durch die Änderung des Strömungsbereiches bewirkte und der durch die Druckfeder 5 verursachte Druckverlust, d.h. die in Tabelle 1 gezeigten Druckverluste Δ P_a, Δ P_s, Δ P_b und Δ P_c beseitigt werden. Andererseits ist der durch die Verschlußkappe 13 verursachte Druckverlust ein kleiner Verlust, der im we­ sentlichen so groß ist wie der durch die Reibung verursach­ te. Daher kann der Druckverlust im oberen Teil der erfin­ dungsgemäßen Brennstoffkassette 10 um im wesentlichen 70% gegenüber dem in einer herkömmlichen Brennstoffkassette erzeugten Druckverlust vermindert werden. Wie aus Fig. 7 deutlich wird, kann infolgedessen die Stabilität der Spalt­ zone des Reaktors, in dem die Brennstoffkassette 10 eingebaut ist, um im wesentlichen 5% gegenüber der Stabilität einer Reaktorspaltzone mit einer herkömmlichen Brennstoffkassette vermindert werden. Fig. 7 erläutert die Beziehung zwischen dem Druckverlust in dem oberen Teil der Brennstoffkassette und dem Zerfallsverhältnis, das die Stabilität der Reaktor­ spaltzone angibt. Das durch die Abszisse von Fig. 7 darge­ stellte Druckverlustverringerungsverhältnis im oberen Teil der Brennstoffkassette ist abgeschätzt auf der Basis des Druckverlustes im oberen Teil einer herkömmlichen Brenn­ stoffkassette. Die Spaltzone ist in einem stabilen Zustand, wenn das Zerfallsverhältnis 1,0 oder weniger ist. Je klei­ ner der Wert des Zerfallsverhältnisses ist, desto mehr verbessert sich die Stabilität.

Die oben beschriebene Verringerung des Druckverlustes hat eine Verringerung der Leistung der Umlaufpumpe, die die Reaktorspaltzone mit Kühlflüssigkeit versorgt, zur Folge. Da durch die Druckkraft der Druckfeder 5 die Verschlußkappe 13 gegen die Muffe 1A gedrückt wird, kann ferner eine Wirkung erzielt werden, durch die die seitliche Schwingung des Brennstabes 2 vermieden wird.

In dieser Ausführungsform kann der Druckverlust im oberen Abschlußteil der Brennstoffkassette auf im wesentlichen 30% gegenüber dem einer herkömmlichen Brennstoffkassette ver­ mindert werden, so daß die Stabilitätsspanne der Reaktor­ spaltzone um im wesentlichen 5% verbessert werden kann.

Eine andere Ausführungsform der Verschlußkappe 13 ist in Fig. 8 gezeigt. Eine Verschlußkappe 17 gemäß dieser Ausfüh­ rungsform ist so ausgebildet, daß die Ummantelung 13A der Verschlußkappe 13 mit zwei länglichen Schlitzen 13E, die sich von unten nach oben erstrecken, versehen ist. Kraft der Anbringung der Verschlußkappe 17 als Alternative zu der Verschlußkappe 13 in der Brennstoffkassette 10 strömt die Kühlflüssigkeit durch die Schlitze 13E in die Verschlußkap­ pe 17 hinein und aus ihr heraus. Dadurch kann eine Bildung von Korrosion in der Verschlußkappe 17 aufgrund des Still­ standes der Kühlflüssigkeit und der Ablagerung oder ähnli­ chem verhindert werden.

In Fig. 9 ist eine Verschlußkappe gemäß einer anderen Ausführungsform gezeigt, wobei die Verschlußkappe die glei­ che Funktion hat wie die Verschlußkappe 17. Eine Verschluß­ kappe 18 gemäß dieser Ausführungsform hat im Ummantelungs­ bereich 13A eine Vielzahl von Öffnungen 13F. Die Größe der Öffnungen 13F ist so klein bemessen, daß sie keinen Druck­ verlust erzeugt, der den durch die Reibung verursachten Druckverlust übersteigt. Genauso dürfen die oben beschrie­ benen Schlitze 13E nur eine geringe Breite besitzen. Die Kühlflüssigkeit kann durch die Öffnungen 13F in die Ver­ schlußkappe 18 hinein- und hinausströmen.

Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11 eine Brennstoffkassette gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Eine Brennstoffkassette 20 gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich nur in der Struktur der oberen Verbindungsplatte von der Brennstoff­ kassette 10. Eine obere Verbindungsplatte 21 gemäß dieser Ausführungsform hat eine Vielzahl von in Gitterform ange­ ordneten zylindrischen Muffen 21A und von diese Muffen 21A verbindenden Rippen 21B. Die Muffe 21A hat eine stromlinien­ förmige Gestalt von der Art, daß deren seitliche Quer­ schnittsfläche in ihrem oberen Teil, d.h. im Auslaßbereich des in der oberen Verbindungsplatte 21 ausgebildeten Kühl­ flüssigkeitsdurchlasses, in Richtung dieses Auslasses ver­ jüngt wird. Die Rippe 21B hat, wie in Fig. 10 gezeigt, einen ovalen vertikalen Querschnitt, der so geformt ist, daß er entlang der Strömungsrichtung gestreckt ist. Da die obere Verbindungsplatte 21 als Gußstück hergestellt wird, ist eine stromlinienförmige Struktur des oben beschriebenen Typs leicht herzustellen.

Da die Brennstoffkassette 20 die Verschlußkappe 13 auf­ weist, die ähnlich wie in der Brennstoffkassette 10 die Druckfeder 5 umgibt, können die in Tabelle 1 gezeigten Druckverluste Δ P_a, Δ P_s, Δ P_b und Δ P_c beseitigt werden. Da die Brennstoffkassette 20 weiterhin Muffen und Rippen 21A bzw. 21B besitzt, deren in der Strömungsrichtung liegende Seiten stromlinienförmig ausgebildet sind, kann der in Tabelle 1 gezeigte Druckverlust Δ P_d, der aufgrund der Ver­ größerung im Auslaß entsteht, auf im wesentlichen 50% verringert werden. Daher kann der Druckverlust im oberen Teil der Brennstoffkassette 20 auf im wesentlichen 20% gegenüber einer herkömmlichen Brennstoffkassette verringert werden. Die Stabilität der Reaktorspaltzone, in die diese Brennstoffkassette 20 eingebaut ist, kann um 6% gegenüber der Stabilität der Reaktorspaltzone, in die eine herkömmli­ che Brennstoffkassette eingebaut ist, verbessert werden.

In Fig. 12 ist eine Brennstoffkassette gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Eine Brennstoffkas­ sette 23 gemäß dieser Ausführungsform ist so aufgebaut, daß die obere Verbindungsplatte 21 der Brennstoffkassette 20 durch eine obere Verbindungsplatte 24 und die Verschlußkap­ pe 13 durch eine Verschlußkappe 25 ersetzt werden. Die obere Verbindungsplatte 24 weist Muffen 24A und benachbarte Muffen 24A verbindende Rippen 21B auf. Die Muffe 24A ist so ausgebildet, daß die untere Seite der Muffe 21A gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform mit einer durch eine abgeschrägte Oberfläche geformten Aussparung 24B versehen ist. Die Verschlußkappe 25 weist, wie in Fig. 13 gezeigt, einen Ummantelungsbereich 13A und einen oberhalb dieses Ummantelungsbereiches 13A angeordneten Abstützbereich 25A auf. Der Abstützbereich 25A weist in seinem Mittelteil ein Loch 25C auf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innen­ durchmesser des Ummantelungsbereiches 13A, der aber etwas größer ist als der Außendurchmesser des Bereichs des oberen Verschlußstopfens 4 mit kleinem Durchmesser. Die obere Oberfläche des Abstützbereiches 25A ist als abgeschrägte Oberfläche 25B ausgebildet, die den gleichen Neigungsgrad besitzt wie die abgeschrägte Oberfläche der Aussparung 24B. In dem Zustand, in dem die Verschlußkappe 25 an dem oberen Verschlußstopfen befestigt ist und dieser obere Verschluß­ stopfen 4 in das Loch 1C eingefügt ist, steht die obere Oberfläche (abgeschrägte Oberfläche 25B) des Abstützberei­ ches 25B der Verschlußkappe 25 in Eingriff mit der Ausspa­ rung 24B und der Muffe 24A. Die Verschlußkappe 25 umgibt die an den oberen Verschlußstopfen 4 angepaßte Druckfeder 5.

Mit der oben beschriebenen Brennstoffkassette 23 kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie mit der Brennstoffkas­ sette 20. Da in der Brennstoffkassette 23 weiterhin die Muffen 24A und die Verschlußkappen 25 in gegenseitigem Ein­ griff stehen, entsteht zwischen der seitlichen Oberfläche der Verschlußkappe 25 und den seitlichen Oberflächen der Muffe 24A kein Niveauunterschied. Dadurch kann die Bildung eines unnötigen Druckverlustes verhindert werden. Ferner kann eine seitliche Verschiebung der Verschlußkappe 25 während des Betriebes des Reaktors verhindert werden. Wenn der obere Verschlußstopfen 4 in das Loch 1C eingeführt wird, dient die abgeschrägte Oberfläche der Aussparung 24B als Führung für die Einführung des oberen Verschlußstopfens 4. Deswegen kann der Einbau des Brennstabes 2 in die obere Verbindungsplatte 24 besonders leicht durchgeführt werden. Weiterhin kann die Aussparung 24B so ausgebildet werden, daß sie in der unteren Oberfläche der Muffe 1A der Brenn­ stoffkassette 10 geschaffen werden kann. In diesem Fall wird in der Brennstoffkassette 10 die Verschlußkappe 25 als Alternative zu der Verschlußkappe 13 gebraucht. Der Umman­ telungsbereich 13A der Verschlußkappe 25 kann mit Schlitzen 13E oder Öffnungen 13F ähnlich wie die Verschlußkappen 17 oder 18 versehen werden.

Fig. 14 zeigt eine Brennstoffkassette 27 gemäß einer weite­ ren Ausführungsform der Erfindung.

In der Brennstoffkassette 27 wird als Brennstab ein Brenn­ stab 2D verwendet. Die anderen Strukturen der Brennstoff­ kassette 27 sind dieselben wie diejenigen der Brennstoff­ kassette 23. Der Brennstab 2D ist so ausgebildet, daß der Außendurchmesser im oberen Abschlußbereich der durch den oberen Verschlußstopfen 4 und den unteren Verschlußstopfen 4a verschlossenen Kapselung, also der Außendurchmesser der Kapselung in dem Bereich, in dem die Gaskammer 2J ausgebil­ det ist, kleiner ist als der Außendurchmesser der Kapselung in dem Bereich, der sich unterhalb von jenem befindet. Infolgedessen hat der Brennstab 2D einen viel kleineren Außendurchmesser in seinem oberen Abschlußbereich, wo keine Hitze entsteht.

Da in der Brennstoffkassette 27 der Außendurchmesser des Brennstabes 2D an dessen oberem Abschlußbereich kleiner ist, kann die Vermeidung eines Druckverlustes um den Grad verbessert werden, der dem Grad der Verringerung seiner Größe entspricht in bezug auf die Brennstoffkassette 20.

Der Brennstab 2D kann verwendet werden in den Brennstoff­ kassetten 10 und 20.

Eine Brennstoffkassette 29 gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 15 beschrieben. Die Brennstoffkassette 29 ist so auf­ gebaut, daß die Brennstäbe 2 der Brennstoffkassette 23 durch Brennstäbe 2E ersetzt werden. Der Brennstab 2E weist einen oberen Verschlußstopfen 4B mit einem Bereich kleinen Durchmessers 4C und einem Bereich großen Durchmessers 4D auf, wobei der Bereich großen Durchmessers 4D im Bereich seiner oberen Kante eine gekrümmte Oberfläche 4E besitzt. Der Bereich großen Durchmessers 4D ist unterhalb des Be­ reichs kleinen Durchmessers 4C angeordnet und mit der Kap­ selung 2A verbunden. Da die Brennstoffkassette 29 eine gekrümmte Oberfläche 4E im Bereich großen Durchmessers 4D besitzt, kann der Brennstab 2E erschütterungsfrei in die Verschlußkappe 25 bewegt werden, wenn er sich aufgrund von Wärmeausdehnung oder ähnlichem nach oben bewegt. Das bedeu­ tet, daß in dem Fall, in dem der Brennstab 2E in der Ver­ schlußkappe 25 nach oben bewegt wird, vermieden werden kann, daß der Bereich großen Durchmessers 4D des oberen Verschlußstopfens 4B von der inneren Oberfläche der Ver­ schlußkappe 25 gehemmt wird. Mit der Brennstoffkassette 29 kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie mit der Brenn­ stoffkassette 23. Der Brennstab 2E kann verwendet werden für die Brennstoffkassetten 10 und 20.

Fig. 16 zeigt eine obere Verbindungsplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform. Eine obere Verbindungsplatte 30 weist ähnlich wie die obere Verbindungsplatte 1 eine Viel­ zahl von Muffen 1A und Rippen 1B auf. Die obere Verbindungs­ platte 30 ist an der Unterseite einer jeden Muffen 1A mit einem zylindrischen Ummantelungsbereich 30A umgeben. Der Ummantelungsbereich 30A kann ähnlich wie die Verschlußkap­ pen 17 oder 18 mit Schlitzen 13E oder Öffnungen 13F verse­ hen werden. Da die obere Verbindungsplatte 30 als Gußteil hergestellt wird, können die Muffen 1A und der Ummantelungs­ bereich 30A in einem Stück geformt werden, so daß zwischen keiner seitlichen Oberfläche der Muffen 1A und der seitli­ chen Oberfläche des Ummantelungsbereichs 30A ein Niveau­ unterschied entsteht.

Die gleiche Wirkung, die mit der Brennstoffkassette, deren Struktur in Fig. 5 gezeigt ist, erzielt wird, kann mit der Brennstoffkassette 10 erzielt werden, in der die obere Verbindungsplatte 1 und die Verschlußkappe 13 ersetzt wer­ den durch die obere Verbindungsplatte 30. Die Brennstoff­ kassette, bei der die obere Verbindungsplatte 30 Verwendung findet, besitzt eine an den oberen Verschlußstopfen 4 ange­ paßte Druckfeder 5, die von dem Ummantelungsbereich 30A umgeben ist.

In Fig. 17 ist eine Brennstoffkassette 31 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Brennstoffkassette 31 ist so aufgebaut, daß der Umman­ telungsbereich 13A der Verschlußkappe 13 der Brennstoffkas­ sette 10 an dem oberen Verschlußstopfen 4 des Brennstabes 2 angebracht ist. Das bedeutet, daß ein in der Brennstoffkas­ sette 31 Verwendung findender Brennstab 2F eine Kapselung 2A besitzt, deren oberes Ende durch einen oberen Verschluß­ stopfen 4F verschlossen wird. Der obere Verschlußstopfen 4F weist einen Bereich kleinen Durchmessers 4C, einen am unte­ ren Ende des Bereichs kleinen Durchmessers 4C angeordneten Bereich großen Durchmessers 4G und einen an der oberen Oberfläche des Bereichs großen Durchmessers 4G angeordneten Ummantelungsbereich 4H auf. Der Ummantelungsbereich 4H ist ein Zylinder, der den gleichen Außendurchmesser hat wie die Kapselung 2A und der den unteren Teil des Bereichs kleinen Durchmessers 4C umgibt. Der Raum zwischen der Ummantelung 4H und dem Bereich kleinen Durchmessers 4C ist als ringför­ miger Raum 4I ausgebildet. Der untere Teil der an dem Bereich kleinen Durchmessers 4C des oberen Verschlußstopfens 4F angebrachten Druckfeder 5 ist in dem ringförmigen Raum 4I angeordnet. Der Bereich kleinen Durchmessers 4C, der Bereich großen Durchmessers 4G und der Ummantelungsbereich 4F werden aus einem Materialstück durch Schleifarbeit her­ gestellt. Daher ist der Ummantelungsbereich 4H in einem Stück mit dem Bereich großen Durchmessers 4G gebildet, so daß diese Bereiche aus einer kontinuierlichen Metalltextur gebildet sind. Das obere Ende des Ummantelungsbereichs 4H ist unterhalb der unteren Oberfläche der Muffe 1A angeord­ net. Die Höhe des Ummantelungsbereichs 4H muß so bemessen sein, daß nicht der Fall eintreten kann, daß das obere Ende des Ummantelungsbereichs 4H auch dann nicht in Kontakt mit der unteren Oberfläche der Muffe 1A kommt, wenn der Brenn­ stab 2F aufgrund der Wärmeausdehnung in axialer Richtung extrem gedehnt ist. Im allgemeinen erreicht die axiale Ausdehnung des Brennstabes 2F ihren Extremwert in der End­ stufe des Brennstoffzyklus eines Reaktors, verglichen mit der Anfangsstufe desselben. In der Anfangsstufe des Brenn­ stoffzyklus überdeckt der Ummantelungsbereich 4H nicht die gesamte Länge der Druckfeder 5. Der durch die Druckfeder 5 hervorgerufene Druckverlust Δ P_s wird jedoch, verglichen mit einer herkömmlichen Brennstoffkassette, auf einen Grad erniedrigt, der dem Sachverhalt entspricht, daß die Druckfeder 5 teilweise von dem Ummantelungsbereich 4H umge­ ben ist. Daher wird der Druckverlust in der Brennstoffkas­ sette 31 in der Anfangsstufe des Brennstoffzyklus im Ver­ gleich zu dem einer herkömmlichen Brennstoffkassette ver­ ringert. In der Endstufe des Brennstoffzyklus wird, da die Druckfeder 5 über ihre gesamte Länge von dem Ummantelungs­ bereich 4H im wesentlichen umgeben ist, der Druckverlust in der Brennstoffkassette 31 auf einen Grad erniedrigt, der gleich dem der Brennstoffkassette 10 ist. Für die Stabili­ tät der Reaktorspaltzone kann die gleiche Wirkung erzielt werden.

Ferner kann die Brennstoffkassette 31 die mit den Brenn­ stoffkassetten 10, 20, 23, 27 und 29 in Erfahrung gebrach­ ten Probleme überwinden. Da der Brennstab und der die Druckfeder 5 umgebende Ummantelungsbereich in den Brenn­ stoffkassetten 10, 20, 23, 27 und 29 und in der Brennstoff­ kassette, in welcher die obere Verbindungsplatte 30 Verwen­ dung findet, als Einzelteile ausgebildet sind, bildet sich in dem dem Ummantelungsbereich gegenüberstehenden ummantel­ ten Rohr des Brennstabes kraft der strömungsinduzierten Schwingung Reibkorrosion. Da der Ummantelungsbereich 4H der Brennstoffkassette an dem Brennstab 2F angebracht ist, bleibt der Brennstab 2F frei von der durch die Anwesenheit des Ummantelungsbereichs 4H hervorgerufenen Bildung der Reibkorrosion. Da in den Brennstoffkassetten 10, 20, 23, 27 und 29 der Druckverlust ansteigt, wenn die Wandstärke des Ummantelungsbereichs 13A groß wird, muß die Wandstärke des Ummantelungsbereichs 13A dünn hergestellt werden. In einem Fall jedoch, in dem diese Wandstärke dünn hergestellt wird, muß der Ummantelungsbereich 13A aus Inkonel, das eine große Härte besitzt, hergestellt werden. Da in dieser Ausfüh­ rungsform die Wandstärke des Ummantelungsbereichs 4H dick hergestellt werden kann, kann der Ummantelungsbereich 4H aus einer Zirkoniumlegierung hergestellt werden, die einen bedeutend kleineren Neutronenabsorptionsquerschnitt besitzt als Zirkonium. Dadurch kann die Nutzung der Neutronen ver­ bessert werden.

Fig. 18 zeigt eine Brennstoffkassette gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Eine Brennstoffkassette 32 gemäß dieser Ausführungsform verwendet einen Brennstab 2G. Der Brennstab 2G hat das gleiche Aussehen wie der oben beschriebene Brennstab 2F. Der Brennstab 2G ist so ausge­ bildet, daß ein Ummantelungselement 33 fest an den Bereich großen Durchmessers 4G des oberen Verschlußstopfens 4 ange­ schweißt ist. Das Ummantelungselement 33 hat die gleichen Abmessungen wie der Ummantelungsbereich 4H. Durch die Brennstoffkassette 32 gemäß dieser Ausführungsform kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie mit der Brennstoffkas­ sette 31.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 19 wird eine Brennstoffkas­ sette gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Eine Brennstoffkassette 34 gemäß dieser Ausführungsform ist so ausgebildet, daß das zylindrische Ummantelungselement 33 der Brennstoffkassette 32 durch ein Ummantelungselement 35, bei dem die Verschlußkappe 13 umgekehrt ist, ersetzt wird. Das Ummantelungselement 35 besitzt einen an die obere Ober­ fläche des Bereichs großen Durchmessers 4G des oberen Ver­ schlußstopfens 4 angeschweißten Boden und einen sich nach oben erstreckenden zylindrischen Bereich. Der zylindrische Bereich des Ummantelungselements 35 umgibt die Druckfeder 5. Der Brennstab 2H weist einen oberen Verschlußstopfen 4 auf, an dem das Ummantelungselement 35 befestigt ist. Mit der Brennstoffkassette 34 gemäß dieser Ausführungsform kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie mit der Brennstoffkas­ sette 31. Da jedoch die Form des Ummantelungselements 35 der Brennstoffkassette 34 im Vergleich zu jenen der Brenn­ stoffkassetten 31 und 32 ein wenig kompliziert ist, ist es etwas schwierig herzustellen.

Fig. 20 zeigt eine Brennstoffkassette gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Eine Brennstoffkassette gemäß dieser Ausführungsform ist so ausgebildet, daß der Ummantelungsbereich 4H und das in den Fig. 17 und 18 ge­ zeigte Ummantelungselement 33 jeweils durch die Kapselung 2A gebildet werden. Das bedeutet, daß ein für die Brenn­ stoffkassette 36 verwendeter Brennstab 2I so ausgebildet ist, daß dessen Kapselung 2A im Vergleich zu jenen der Brennstäbe 2F und 2G verlängert wird, daß der obere Ver­ schlußstopfen 4 in das Kapselungsrohr 2A eingeführt wird und daß der Bereich großen Durchmessers 4G und die Kapse­ lung 2A verschweißt sind. Das obere Ende 2A₁ der Kapselung 2A ragt nach oben über die obere Oberfläche des Bereichs großen Durchmessers 4G hinaus. Das auf diese Weise nach oben hinausragende obere Ende 2A₁ hat die Funktion eines Ummantelungsbereichs. Das obere Ende 2A₁ umgibt die Druckfeder 5. Die Höhe von der oberen Oberfläche des Be­ reichs großen Durchmessers 4G zu dem oberen Ende der Kapse­ lung 2A ist gleich der des Ummantelungsbereichs 4H. Mit der Brennstoffkassette 36 kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie mit der Brennstoffkassette 31. Da jedoch in der Brennstoffkassette 36 der obere Verschlußstopfen 4 von der Innenseite des oberen Endes 2A₁ der Kapselung 2A her mit dem in die Kapselung 2A eingeführten oberen Verschlußstopfen 4 verschweißt werden muß, ist sie ziemlich schwierig herzu­ stellen im Vergleich zu den Brennstoffkassetten 31, 32 und 34.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 21 gezeigt. Eine Brennstoffkassette 37 gemäß dieser Ausfüh­ rungsform ist so ausgebildet, daß eine Verschlußkappe 38 für die Brennstoffkassette 36 vorgesehen ist. Die Ver­ schlußkappe 38 ist so ausgebildet, daß ihre Höhe kleiner ist als die der Verschlußkappe 13, ebenso wie ihr Außen­ durchmesser, der ebenfalls kleiner ist als derjenige der Verschlußkappe 13. Die Verschlußkappe 38 wird in Kontakt mit der unteren Oberfläche der Muffe 1A angebracht und durch die Druckkraft der Druckfeder 5 nach oben gedrückt, während ihr unterer Abschlußbereich in das obere Ende 2A₁ der Kapselung 2A eingeführt wird. Kraft des Vorhandenseins der Verschlußkappe 38 ist stets die gesamte Länge der Druck­ feder 5 durch das obere Ende 2A₁ der Kapselung 2A und durch die Verschlußkappe 38 umgeben, wodurch der Druckverlust Δ P_s Null wird und die Druckverluste Δ P_a, Δ P_b und Δ P_c stets denjenigen der Brennstoffkassette 10 angenähert werden können.

In den Brennstoffkassetten 31, 32, 34, 36 und 37 kann die obere Verbindungsplatte 1 durch die obere Verbindungsplatte 24 ersetzt werden. Durch diese Ersetzung kann der Druckverlust Δ P_d einer jeden der Brennstoffkassetten auf einen Grad vermindert werden, der durch die Brennstoffkas­ sette 20 erreicht wird. Die Brennstoffkassetten gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen werden als Brenn­ stoffkassette verwendet, in der die Brennstäbe in einer Konfiguration aus acht Reihen und acht Spalten (was 8×8- Brennstoffkassette genannt wird) angeordnet sind. Die Struktur gemäß jeder der Ausführungsformen der Erfindung kann jedoch in einer Brennstoffkassette angewendet werden, in der die Brennstäbe in einer Konfiguration aus neun Reihen und neun Spalten angeordnet sind, also in einer 9× 9-Brennstoffkassette. In Tabelle 2 sind alle Druckverlust- Typen (die den in Tabelle 1 gezeigten entsprechen) am oberen Ende der herkömmlichen 9×9-Brennstoffkassette, in der die Druckfeder 5 nicht durch den Ummantelungsbereich umgeben ist, gezeigt.

Tabelle 2

Ein Vergleich zwischen allen Druckverlusten der herkömmli­ chen 8×8-Brennstoffkassette (Tabelle 1) und allen Druckverlusten der herkömmlichen 9×9-Brennstoffkassette (Tabelle 2) ergibt, daß die letztere Brennstoffkassette ein relativ niedrigeres Druckverlustverhältnis Δ P_a zeigt, daß aber die Druckverluste Δ P_s und Δ P_d relativ erhöht sind. Dies ist die Folge der Tatsache, daß in der herkömmlichen 8 ×8-Brennstoffkassette der in der oberen Verbindungsplatte gebildete Strömungsbereich kleiner ist als der zwischen den Brennstäben gebildete, daß aber in der herkömmlichen 9×9- Brennstoffkassette eine Verbesserung dadurch erreicht wird, daß der frühere Strömungsbereich und der spätere Strömungs­ bereich gleichgemacht werden. Daher ist der Druckverlust in der herkömmlichen 9×9-Brennstoffkassette kleiner als derjenige in der herkömmlichen 8×8-Brennstoffkassette. Wie oben beschrieben, kann in einer 9×9-Brennstoffkasset­ te, in der irgendeine Ausführungsform der Erfindung Anwen­ dung findet, der Druckverlust weiter vermindert werden im Vergleich zu einer herkömmlichen 9×9-Brennstoffkassette.

In der Ausführungsform der Erfindung, die so ausgebildet ist, daß die in Fig. 5 gezeigte Struktur in der 9×9- Brennstoffkassette Anwendung findet, werden die Druckver­ luste Δ P_a, Δ P_s, Δ P_b und Δ P_c ähnlich wie jene in der Brenn­ stoffkassette 10 im wesentlichen auf Null vermindert, der Druckverlust am oberen Ende kann auf im wesentlichen 47% einer herkömmlichen 9×9-Brennstoffkassette vermindert werden. In einer 9×9-Brennstoffkassette, die so ausgebil­ det ist, daß die in Fig. 12 gezeigte Struktur Anwendung findet, kann der Druckverlust an ihrem oberen Ende auf im wesentlichen 75% einer herkömmlichen 9×9-Brennstoffkas­ sette vermindert werden.

Claims (8)

1. Brennstoffkassette

• a) mit einer oberen Verbindungsplatte,
  • a1) die zylindrische Muffen,
  • a2) und diese Muffen verbindende Rippen aufweist,
• b) mit Brennstäben,
  • b1) deren obere und untere Enden jeweils mit einem entsprechenden Verschlußstopfen verschlossen sind,
  • b2) die mit Brennstoffpellets gefüllt sind
  • b3) und bei denen jeder obere Verschlußstopfen durch eine Muffe aufgenommen wird, und
• c) mit an den oberen Verschlußstopfen befestigten Druckfedern,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß für die Brennstäbe (2) je eine Ummantelungsvorrichtung (2A, 4H, 13, 13d, 17, 18, 25, 30A, 33 und 35) vorgesehen ist,
  • d1) die die Druckfeder (5) um deren Umfang ummantelt
  • d2) und sie in axialer Richtung wenigstens teilweise umgibt.
• e) und daß die Wandstärke der jeweiligen Muffe (21A) und der jeweiligen Rippe (21B) im Auslaßbereich eines Kühlflüssigkeitsdurchlasses, der in der oberen Verbindungsplatte (21) ausgebildet ist, in Richtung dieses Auslasses abnimmt.

2. Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• f) das obere Ende der Ummantelungsvorrichtung (13, 17, 18 und 25) durch die Druckfeder (5) gegen die Muffe (1A) gedrückt wird.

3. Brennstoffkassette gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• g) die Ummantelungsvorrichtung (25) an ihrer seitlichen Oberfläche Öffnungen (13E, 13F) aufweist.

4. Brennstoffkassette gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• h) das obere Ende der Ummantelungsvorrichtung (25) so in das untere Ende der Muffe (24A) eingepaßt ist, daß eine seitliche Bewegung der Ummantelungsvorrichtung (25) verhindert wird.

5. Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• i) die Wandstärke der Rippe (21B) in einem Einlaßbereich eines Kühlflüssigkeitsdurchlasses,
  • i1 der in der oberen Verbindungsplatte (21) gebildet ist, in Richtung dieses Einlasses allmählich abnimmt.

6. Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• j) der obere Verschlußstopfen (4, 4F) die Ummantelungsvorrichtung (4H, 33) aufweist und daß die Ummantelungsvorrichtung (4H, 33)
  • j1) ausgehend von einem im unteren Bereich des oberen Verschlußstopfens (4, 4F) ausgebildeten Bereich großen Durchmessers (4G) angeordnet ist,
  • j2) sich nach oben erstreckt und
  • j3) in axialer Richtung einen Teil der Druckfeder (5), die zwischen der Nabe (1A) und dem Bereich großen Durchmessers (4G) angeordnet ist, umgibt.

7. Brennstoffkassette gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• k) die Ummantelungsvorrichtung (2A) durch das obere Ende einer an dem oberen Verschlußstopfen (4) angebrachten Kapselung gebildet wird, wobei
  • k1) das obere Ende der Kapselung den Bereich großen Durchmessers (4G) des oberen Verschlußstopfens (4) umgibt und
  • k2) diesen nach oben überragt.