DE3825550C2 - - Google Patents
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- DE3825550C2 DE3825550C2 DE3825550A DE3825550A DE3825550C2 DE 3825550 C2 DE3825550 C2 DE 3825550C2 DE 3825550 A DE3825550 A DE 3825550A DE 3825550 A DE3825550 A DE 3825550A DE 3825550 C2 DE3825550 C2 DE 3825550C2
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- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
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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.
Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, tritt im wesentlichen kein
auf die Reibung zurückzuführender Druckverlust auf. Der
Druckverlust Δ Ps 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 Pa, Δ Ps, Δ Pb und Δ Pc 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 Pa, Δ Ps, Δ Pb und Δ Pc 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 Pd, 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 Ps 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 Ps
Null wird und die Druckverluste Δ Pa, Δ Pb und Δ Pc 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 Pd 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.
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 Pa zeigt, daß
aber die Druckverluste Δ Ps und Δ Pd 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 Pa, Δ Ps, Δ Pb und Δ Pc 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.
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