DE3834611A1

DE3834611A1 - Brennstoffanordnung fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE3834611A1
Application number: DE3834611A
Authority: DE
Inventors: Makoto Ueda; Toru Mitsutake; Koichi Sakurada; Koji Hiraiwa; Yasuhiro Hattori; Mamoru Nagano; Hironori Echigoya
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1988-10-11
Publication date: 1989-04-27
Anticipated expiration: 2008-10-12
Also published as: DE3834611C2; DE3834611C3; SE8803619D0; SE503597C2; US4970047A; SE8803619L

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor und insbesondere eine Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor, bei dem ein langer Betriebszyklus für eine Brennstoff-Wirtschaftlichkeit gewährleistet und eine hohe thermische Toleranzspanne aufrechterhalten werden kann.

Eine Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor (BWR) wird durch einen quadratischen Kanalkasten gebildet, in wel chem eine Anzahl von Brennstäben regelmäßig angeordnet sind, von denen ein jeder einen metallischen Überzug und ein Brenn stoffbündel aufweist, in welchen Kernbrennstoff gepackt ist. Der Reaktorkern des BWR enthält eine Vielzahl von Zellen, von denen jede ein kreuzförmiges Regelelement und vier das Regel element umgebende Brennstoffanordnungen aufweist, wobei diese Zellen auf eine regelmäßige Weise in dem Kern angeordnet sind. Jede Brennstoffanordnung und jedes Regelelement weisen je weils Achsen auf, die senkrecht und parallel zueinander verlau fen, und ein Kühlmittel, das als Moderator wirkt, fließt von dem unteren Teil zu dem oberen Teil des Reaktorkerns. Bei den Siedewasserreaktoren werden im Bodenbereich des effektiven Kernteils, d.h. am unteren Ende eines hitzeerzeugenden Teils, in welchem eine exotherme Reaktion erfolgt, keine Dampfbla sen gebildet, jedoch werden viele Blasen an anderen Stellen als im Bodenbereich des Reaktorkerns erzeugt, und der Dampf blasenanteil im Moderator-Durchlaß, der oberhalb seines Zen tralteils liegt, ist merklich hoch, beispielsweise über 70% nahe dem oberen Ende des Reaktorkerns. Wenn der Dampfblasen anteil zunimmt, nimmt auch die Flußgeschwindigkeit des Kühl mittels als Moderator notwendigerweise zu, da der Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur Achse des Kühlmittel-Durch gangs innerhalb des Kanalkastens eine konstante Größe be sitzt. Die Reibung des Durchgangs nimmt proportional zu an näherungsweise der Quadratzahl der Flußgeschwindigkeit des Moderators zu, so daß die Druckverlustrate des Kühlmittels im Zentralteil des Reaktorkerns in Richtung dessen oberen Teils groß wird.

Die Druckverlustrate des Kühlmittels wird in bezug auf die Einheitslänge des Reaktorkerns Δ P _T/Δ Z durch die Summe der nachfolgenden vier Faktoren wiedergegeben:

wobei

Δ P _h: Positionsverlust,
Δ P _a: Beschleunigungsverlust,
Δ P _f: Reibungsverlust und
Δ P _L: Platzverlust (beispielsweise aufgrund der Lage der Abstandshalter).

Der bedeutsamste dieser vier Faktoren ist, unter der Voraussetzung, daß keine Abstandhalter vorgesehen sind, der Reibungsverlust, der sich wie folgt darstellt:

wobei

M: Massendurchsatz des Moderators (Wasser),
A: Moderatorfluß-Durchgangsfläche,
p: Moderatordichte,
g: Gravitätskonstante,
f: Reibungsverlustkoeffizient des Brennstoffbündels und
Δ P _f: Reibungsverlust des Brennstoffbündels.

Der Kühlmittelfluß wird hauptsächlich durch einen Ablauf druck am Ausgang einer Umwälzpumpe hervorgerufen, und dem entsprechend bedeuted der große Druckverlust, daß die Pum pe mit einer großen Kraft versehen sein muß, was in einer Vergrößerung der Maschine oder des verwendeten Systems und an konsequentes Absenken der Leistungseffizienz zur Folge hat. Die Verringerung des Druckverlustes führt daher zur Verringerung der Kraft oder Leistung, die der Pumpe verlie hen werden soll.

Bisher wurden verschiedene Untersuchungen und Versuche im Hinblick auf die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit einer Kernkraftanlage unternommen. Beispielsweise wurde anhand dieser Studien herausgefunden, daß der Neutronenmultiplika tionsfaktor während des Reaktorbetriebs durch Verändern der Spalte zwischen den entsprechenden Brennstäben in den Brenn stoffbündeln verbessert werden kann, wodurch eine Verlänge rung des Operationszyklus des Reaktors erreicht und daher die Brenneffizienz verbessert wurde. Die Verbesserung des Neutronenmultiplikationsfaktors während des Reaktorbetriebs basiert auf der Verbesserung (Zunahme) der Resonanzentkomm- Wahrscheinlichkeit aufgrund der gegenseitigen Abschirmeffek te der Brennstäbe sowie auf der Tatsache, daß das Ausmaß des Nachteils der Verwendung von thermischen Neutronen, wel che etwas nachteilig werden kann, während des Reaktorbetriebs bei hoher Temperatur niedrig gehalten werden kann. Die japa nische Offenlegungsschrift Nr. 75 378/1987 der gleichen und anderen Erfinder, als bei dieser Anmeldung, beschreibt bis zu einem gewissen Grad die obenerwähnte Technik.

Die Tatsache jedoch, daß die Spalten zwischen den Brennstä ben in einem Brennstoffbündel verändert werden, bringt ein Problem bezüglich der Konfiguration, wo nämlich Bereiche bestehen, durch welche das Kühlmittel leicht fließt, und solche, wo dies nicht der Fall ist. Dies erfordert neue Gedanken, die in diesem Zusammenhang zu treffen sind. Ein gleichmäßiger Fluß des Moderators macht dies schwer, um ei ne ausreichende thermische Toleranzspanne des Reaktors und eine Unversehrtheit des Brennstoffs zu gewährleisten.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die bei der herkömmli hen Technik aufgezählten und oben beschriebenen Nachteile und Mängel im wesentlichen auszuschalten und eine verbesser te Brennstoffanordnung vorzusehen, die im wesentlichen einen Reaktorkern eines Siedewasserreaktors bildet mit der Möglich keit der Verbesserumg der thermischen Toleranzspanne des Re aktorkerns, der Reaktorcharakteristik und der Brennstoffwirt schaftlichkeit.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoff anordnung vorzusehen, die einen Kanalkasten aufweist, der für einen verbesserten Kühlmittelfluß ausgebildet ist, um die thermische Toleranzspanne aufrechtzuerhalten und die Unver sehrtheit des Brennstoffs zu gewährleisten. Diese und ande re Aufgaben können gemäß der Erfindung durch eine Brennstoff anordnung für einen Kernreaktor gelöst werden, der ein Brenn stoffbündel aus einer Mehrzahl von unter Verwendung von Ab standhaltern regelmäßig angeordneten Brennstäben und einen den Außenumfang des Brennstoffbündels umgebenden Kanalkasten aufweist, so daß die innere Querschnittsfläche des Kanalka stens von der stromaufwärtigen Seite einer Kühlmittelströmung gegen deren stromabwärtigen Seite zunimmt.

Das Grundprinzip dieser Erfindung wird im folgenden beschrie ben.

Der Druckverlust aufgrund der Kühlmittelströmung in axialer Richtung der Brennstoffanordnung wird hauptsächlich im strom abwärtigen Teil hervorgerufen, in welchem das Kühlmittel in einer Zwei-Phasenströmung fließt. Demgemäß ist die Geschwin digkeit der Zwei-Phasenströmung durch Vergrößerung des Strö mungsdurchgangs des Kühlmittels im axial stromabwärtigen Teil vermindert, womit die Zunahme eines Druckverlustes un terdrückt werden kann.

Im Hinblick auf die obengenannten Fakten wurde herausgefunden, daß ein Teil des Kanalkastens der Brennstoffanordnung mit ei ner übermäßigen Dicke mit einem Teil in Einklang steht, für welchen eine Vergrößerung des Strömungsdurchgangs bei Berück sichtigung der Probleme der Belastung und des Verformungs- Phänomens gefordert ist.

Unter Berücksichtigung der axialen Verteilung des Verformungs- Phänomens auf der Basis der axialen Verteilung der Belastung in dem Kanalkasten, der Neutronenstrahlung und des Innendrucks im Kanalkasten können verschiedene Funktionen und Effekte im Reaktorkern durch geeignete Einstellung oder Ausbildung der Wanddicke des Kanalkastens brauchbar verwirklicht werden. Es ist nämlich notwendig, den Kanalkasten an seinem Ende dicker auszubilden, d.h. an der stromaufwärtigen Seite des Kühlmit telflusses, an welcher der Innendruck aufgrund des Kühlmittel flusses relativ hoch ist. Der Teil des Kanalkastens nahe sei nem stromaufwärtigen Ende, an welchem die Neutronen in hohem Grade strahlen, kann insbesondere nicht dünn ausgebildet wer den, und zwar aus Gründen des an diesem Teil wirkenden Kanal verformungs-Phänomens, bei welchem die Wand des Kanalkastens durch das ständige Anlegen des Innendrucks nach außen ausge buchtet ist.

Die Wanddicke des Kanalkastens im oder nahe dem axialen zen trischen Teil kann, wie oben beschrieben, bei Berücksichti gung eines verminderten Innendruckes und einer verminderten Belastung, die beispielsweise bei Erdbeben vorliegt, im Ver gleich mit dem unteren Teil des Kanalkastens dünn ausgebil det werden, wobei jedoch eine starke Verminderung der Dicke des Kanalkastens vermieden werden soll. Die Belastungsver teilung aufgrund eines Erdbebens wird am größten im axial zentralen Teil des Kanalkastens, jedoch ist diese Belastung gewöhnlich geringer als der Innendruck im Kanalkasten. Das Festlegen des abgestuften Teils der Wanddicke des Kanalka stens in seinem Zentralteil sollte wegen der Konzentration der Belastung an diesem abgestuften Teil beispielsweise während Erdbeben vermieden werden.

Im oberen Teil des Kanalkastens sind die Belastungen aufgrund des Innendrucks und von Erdbeben und der Innendruck selbst ge ring, so daß das Kanalverformungs-Phänomen im oberen Teil des Kanalkastens kaum auftritt und es dementsprechend möglich wird, die Wand des Kanalkastens an seinem oberen Ende dünn zu gestal ten. Es kann jedoch besser sein, den Kanalkasten im oberen Be reich etwas größer zu machen, in welchem ein oberes Gitter oder eine obere Halteplatte unter Berücksichtigung der Beanspruchung, hervorgerufen durch ein starkes Erdbeben, aufliegt.

Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der oben beschrie benen Studien und Prinzipien gemacht, und die angeführten Proble me können durch die Brennstoffanordnung dieser Erfindung gelöst werden.

Die verbesserten Effekte und Vorteile gemäß der Erfindung sind im folgenden aufgezählt.

(1) Der Druckverlust kann wirksam vermindert werden, um auch ei ne Verminderung der Antriebskraft einer Pumpe zu ermöglichen und daher die Wirtschaftlichkeit der Kraftanlage zu verbessern. Außerdem wird es möglich, die Strömungsrate des Kühlmittels auf eine größere als diejenige einer üblichen Betriebsperiode bei der Endstufe des Operationszyklus zu steigern, und die Kernreak tivität kann durch Senkung des Dampfblasenanteils gesteigert werden, was ebenso in der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Kraftanlage resultiert.

(2) Die Verminderung der Wanddicke des Kanalkastens hat eine Zunahme des Volumens des Kühlmittels als Moderator zur Folge, so daß der Neutronen-Moderationseffekt zunimmt und daher der Neutronen-Multiplikationsfaktor bei der Hochleistungs-Betriebs periode zunimmt, während der Faktor in der Abschaltphase des Reaktors aufgrund der Abnahme des thermischen Nutzungsfaktors kleiner wird.

(3) Da die Innenfläche des Kanalkastens wirksam abgetragen ist, kann der Kühlmittelfluß an der Innenfläche verbessert sein, so daß die Konzentration des Kühlmittels in dem weiten Flußdurchgang in dem Brennstoffbündel wirksam erleichtert ist, und daher kann auch die thermische Toleranzspanne der gesamten Brennstoffanordnung merklich verbessert werden, womit die Un versehrtheit bzw. Zuverlässigkeit des Brennstoffs gewährleistet ist.

(4) Da die Flußgeschwindigkeit des Kühlmittels an der strom abwärtigen Seite vermindert werden kann, nimmt die Differenz bei den Einwandergeschwindigkeiten zwischen Kühlmittel und Dampfblasen, d.h. die Rutscherscheinung, ab und der Dampfbla senanteil wird gesenkt.

(5) Dementsprechend ist die Ausgangsleistung an der stromab wärtigen Seite des Reaktorkerns gesteigert, was bei einem BRW nützlich ist, bei welchem die Ausgangsleistung an der stromab wärtigen Seite des Kerns dazu neigt abzunehmen, und daher die axiale Leistungsverteilung in dem Kern abflachen kann. Die Un versehrtheit des Brennstoffs kann daher effektiv gewährleistet werden.

(6) Wie oben beschrieben worden ist, erfolgt die Abnahme des Dampfblasenanteils in der Unterdrückung des Kernreaktivitäts- Verlustes aufgrund der Leerstellen- oder Dampfblasenbildung im Kühlmittel. Dies ist für die Verbesserung des Reaktorbetriebs Zyklusses nützlich, wenn auch der Grad gering ist. Außerdem kann die Unterdrückung des Kernreaktivitäts-Verlustes etwas zur Unterdrückung einer anomalen Kernreaktivität beitragen, die im Fall eines vorübergehenden Sinkens des Dampfblasenan teils zunimmt.

Im nachfolgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Kanalkasten einer Brennstoffanordnung ge mäß der Erfindung, bei welcher Fig. 1A einen Längsschnitt davon wiedergibt, die Fig. 1B bis 1D Querschnitte B-B bis D-D der Fig. 1A zeigen und Fig. 1E eine Frontansicht eines Abstandelementes entsprechend dem Ausschnitt E-E von Fig. 1A;

Fig. 2 einen Querschnitt einer Brennstoffanordnung einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3A bis 3D Darstellungen zur Beschreibung der Be triebsweise der Brennstoffanordnung nach der er sten Ausführungsform gemäß Fig. 2;

Fig. 4 mit den Fig. 4A bis 4C Ansichten zur Beschreibung der kombinierten Beanspruchung, die auf den Kanal kasten gemäß der Erfindung wirkt, wobei 4A eine Seitenansicht der Brennstoffanordnung, Fig. 4B eine grafische Darstellung der auf den Kanalka sten wirkenden kombinierten Beanspruchung und Fig. 4C ein Längsschnitt durch den Kanalkasten darstellt;

Fig. 5A bis 5E Darstellungen zum Kanalkasten der ersten Ausführungsform der Erfindung unter thermohydrau lischen Bedingungen;

Fig. 6 Ansichten zur Beschreibung des Betriebs der in Fig. 2 gezeigten Brennstoffanordnung, wo bei Fig. 6A ein Teilquerschnitt eines Eck teils der Brennstoffanordnung und Fig. 6B eine grafische Darstellung wiedergibt, wel che eine thermische, kritische Leistung in bezug auf die Kühlmittel-Massengeschwindig keit zeigt;

Fig. 7 eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen unendlichem Multiplikationsfaktor und der Dicke des Kanalkastens während der Betriebsdauer eines Hochtemperatur-Reaktors;

Fig. 8 eine grafische Darstellung einer relativen Leistungsverteilung in axialer Richtung des Kerns;

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungs form einer Brennstoffanordnung gemäß der Erfin dung;

Fig. 10 einen Längsschnitt durch den Kanalkasten mit dem quadratisch geformten Wasserrohr der Brenn stoffanordnung nach Fig. 9;

Fig. 11 Darstellungen zur Beschreibung der Betriebswei se der Brennstoffanordnung der zweiten Ausfüh rungsform, wobei Fig. 11A einen Teilquerschnitt eines Eckteils der Brennstoffanordnung und Fig. 11B eine grafische Darstellung des Ver hältnisses zwischen der thermischen kritischen Leistung und der Kühlmittel-Massengeschwindig keit wiedergeben;

Fig. 12 eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem unendlichen Multiplikationsfaktor und der vergrößerten Fläche des Durchgangs des siedenden Kühlmittels während der Betriebsdauer der Hochtemperaturleistung;

Fig. 13 einen Längsschnitt einer Brennstoffanordnung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14A eine Teilansicht eines Abstandhalters zur Ver wendung bei der Brennstoffanordnung nach Fig. 13;

Fig. 14B eine Frontansicht gesehen in Richtung der Linien B-B nach Fig. 14A;

Fig. 15 eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei Fig. 15A einen Längsschnitt des Kanalka stens, Fig. 15B bis 15D Querschnitte B-B bis D-D nach Fig. 15A wiedergeben und Fig. 15E eine ver größerte Ansicht des eingekreisten Teiles von Fig. 15B darstellt;

Fig. 16 einen Längsschnitt eines Kanalkastens gemäß ei ner fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17 einen Kanalkasten gemäß einer sechsten Ausfüh rungsform der Erfindung, wobei Fig. 17A und 17B Längsschnitte eines Kanalkastens und die Fig. 17C bis 17E Querschnitte C-C bis E-E nach den Fig. 17A und 17B sind;

Fig. 18 einen Längsschnitt einer Brennstoffanordnung unter Verwendung des Kanalkastens nach Fig. 17;

Fig. 19 eine die Belastungsverteilung auf der Basis des hydraulischen Druckes des Kühlmittels in dem Kanalkasten darstellende Ansicht;

Fig. 20 bis 28 Querschnitte oder Draufsichten einer sieb ten bis fünfzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 29A eine Teilansicht eines Eckteils eines her kömmlichen Kanalkastens;

Fig. 29B und 29C Teilansichten ähnlich zu der in Fig. 29A gezeigten, jedoch gemäß vorliegender Erfindung und

Fig. 30 bis 35 Querschnitte oder Draufsichten einer sechzehnten bis zwanzigsten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Eine Brennstoffanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbei spiel der Erfindung wird durch Brennstoffbündel einer gro ben und dichten oder lose-dichten Anordnung von Brennstoff stäben gebildet, die in einem Kanalkasten 1 mit einer gleich förmigen Außenform eingesetzt sind, wobei das Brennstoff bündel durch neun Unterkanäle gebildet wird, von denen je der neun Brennstoffstäbe 4 in einer Anordnung von drei Rei hen und drei Spalten aufweist und in einem Abstand g vom be nachbarten getrennt ist. Ein rundes Wasserrohr 3 mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser ist im wesentlichen im Zentralteil dieser Unterkanäle angeordnet.

Wie aus den Fig. 1A bis 1D zu sehen ist, ist die Innenfläche des Kanalkastens abgetragen, um diese in Richtung der strom abwärtigen Seite des Reaktorkerns dünner werden zu lassen, wie dies durch die Bezugszeichen 1 a, 1 b und 1 c gezeigt ist. Durch das Dünnerwerden der Wand des Kanalkastens 1 in der gezeigten stufenförmigen Weise wird die Aufnahme des Brenn stoffbündels instabil außer für den unteren Teil des Bündels. Um diesen Nachteil auszuschalten, sind an der Innenfläche des Kanalkastens 1 Abstandhalter 2 vorgesehen, um die horizonta le Stabilität des Brennstoffbündels durch Anschlagen der Ab standhalter 5 (Fig. 4) und der Abstandanschläge 2 sicherzu stellen.

Gemäß der Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform nach Fig. 2 ist das Kühlmittel in gleicher Weise in einem Spalt g 1 wie in einem Spalt g zwischen den entsprechenden Unterkanälen oder zwischen dem Spalt g und dem Wasserrohr 3 angesammelt, so daß die Innenfläche des Kanalkastens 1 gemäß Fig. 1A in Richtung des unteren Teils des Kanalkastens abgetragen wird, um dadurch einen leichten Fluß des Kühlmittels zu gewährlei sten. Nachdem der Spalt g 2 zwischen den Eckteilen des Kanal kastens 1 und den nahe daran angeordneten Brennstoffstäben 4 schmal gehalten wird, ist in einem weiteren Aspekt der Kühl mittelfluß durch jenen verhältnismäßig schlecht und die Kühlmöglichkeit erniedrigt. Die Technik, die Innenfläche des Kanalkastens 1 abzutragen, ist daher zur Verbesserung des gleichförmigen Flusses des Kühlmittels durch die Spal te g 2 wirkungsvoll.

Die Wirkungsweise der ersten Ausführungsform wird in bezug auf die auf den Kanalkasten 1 ausgeübte Belastung im nach folgenden erläutert.

Das Kühlmittel fließt entlang der inneren und äußeren Wand des Kanalkastens 1 sowie in den und aus dem Kanal, wie in Fig. 3A gezeigt. Eine Belastung Δ P, hervorgerufen durch eine hydraulische Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Kanalkastens, ist groß an der stromaufwärti gen Seite gemäß Fig. 3B. Die Belastung δ bei Auftreten eines Erdbebens wird als horizontale Vibration betrachtet, die ma ximale Belastung δ wird jedoch an einem Teil des Kanalkastens ausgeübt, der etwas aufwärts von seinem Zentralteil verscho ben ist, da das untere Ende des Kanalkastens im wesentlichen fest gesichert und sein oberes Ende leicht veränderbar be festigt ist. Dementsprechend wird die kombinierte Belastung Δ P+δ, welche an dem Kanalkasten wirkt, durch die in Fig. 3D gezeigten Kurven wiedergegeben. Es ist nicht von großer Be deutung, ob die Innenwand oder die Außenwand des Kanalkastens zum Erhalt einer dünnen Wandstärke abgetragen werden soll, ebenso ob die Analyse der kombinierten Belastung in einem solchen Ausmaß zu berücksichtigen ist, wobei entweder die Innenseite oder die Außenseite geschnitten werden kann.

Fig. 4 ist eine Ansicht, welche die auf den Kanalkasten aus geübte Belastung im Hinblick auf das Kanal-Verformungsphäno men zuzüglich zu der Analyse der kombinierten Belastung nach Fig. 3 beschreibt.

Fig. 4A ist eine Darstellung, welche den Aufbau einer gewöhn lichen Brennstoffanordnung zeigt, in welcher das Brennstoff bündel die Brennstäbe 4 umfaßt, welche durch die Abstandhalter 5 gleichmäßig getragen und angeordnet sind, wobei das Brenn stoffbündel in dem Kanalkasten 1 untergebracht ist und wobei ein oberes Ende von einer oberen Halteplatte 7 und ein unte res Ende durch eine untere Halteplatte 6 gehalten wird.

Das Kanal-Verformungs-Phänomen wird durch die Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Kanalkastens sowie durch die Bestrahlung von Neutronen hervorgerufen, wobei dieses Phänomen in einem Bereich w in einem Abschnitt der stromaufwärtigen Seite in dem Kanalkasten auftritt, wie in Fig. 4B gezeigt, so daß die Dicke der Kanalkasten-Wand groß ist an der stromaufwärtigen Seite dieses Abschnitts. Die auf einen Teil an der stromabwärtigen Seite dieses Abschnitts aus geübte, kombinierte Belastung verändert sich nicht wesentlich. Die kombinierte Belastung wird an einem Abschnitt stromaufwärts von einem vom oberen Ende des Kanalkastens in einem Abstand von etwa 1/3 dessen Gesamtlänge entfernt gelegenen Teil weiter hin vermindert, so daß die Dicke des Kanalkastens 1 in stufen förmiger Weise gemäß der Abnahme der kombinierten Belastung dünn gemacht wird.

Die Fig. 5A bis 5E sind Darstellungen zur Erläuterung des Ka nalkastens gemäß der Erfindung auf der Grundlage der Thermo- Hydraulik. Fig. 5A zeigt eine Anordnung von Brennstoffeinhei ten und insbesondere der Abstandhalter. Fig. 5B zeigt eine Teil ansicht von einem einzigen Wandaufbau eines herkömmlichen Kanal kastens und Fig. 5C ist ebenso eine Teilansicht eines Wandauf baus eines Kanalkastens gemäß der Erfindung. Fig. 5D ist eine grafische Darstellung für den Vergleich der Verteilungskurve (gestrichelte Linie) des Leervolumen- oder Dampfblasenanteils bei Verwendung eines Kanalkastens (Fig. 5C) der Erfindung mit der Verteilungskurve (ausgezogene Linie) des Leervolumenanteils bei Verwendung eines herkömmlichen Kanalkastens (Fig. 5B); wie die Fig. 5D zeigt, liegt die gestrichelte Linie gemäß der Erfin dung für den Leervolumenanteil etwas niedriger als die aus gezogene Linie gemäß der herkömmlichen Technik, hervorgeru fen durch den Übergang (slip) von der wäßrigen Phase. Die Fig. 5E zeigt Kurven, welche die Druckverluste des Kühlmittels im Kanalinneren von beiden Arten der Kanalkästen wiedergeben, wobei der Druckverlust gemäß der Erfindung (gestrichelte Li nienkurve) kleiner ist als der des herkömmlichen Kanalkastens (ausgezogene Linie).

Fig. 6 beschreibt die Betriebsweise oder Aktion des Kühlmittels in der Brennstoffanordnung durch Verwendung des Kanalkastens gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 6A gezeigt ist, fließt das Kühlmittel in Richtung der Pfeile X, welches sich in der äußeren Peripherie des Wasserrohres 3 konzentrieren kann, der zentrisch in dem Brennstoffbündel und den weit ausgedehnten Spalten angeordnet ist, womit die Konzentration des Kühlmittels in den oben beschriebenen Abschnitten gemildert ist. Das Kühl mittel fließt von einem untergeordneten Durchlaß eines festen Teils zum äußersten Umfangsteil, d.h., es ist zu einem Teil nahe der Innenfläche des Kanalkastens entsprechend den Pfei len Y gerichtet, und dementsprechend nimmt die Fließgeschwindig keit im dichten Teil ab. Als Folge davon kann das Abschälen des Flüssigkeitsfilms von der Fläche des Brennstoffstabes 4 un terdrückt werden. Die thermische, kritische Leistung des Reak tors mit einem Kanalkasten gemäß der Erfindung kann im Ver gleich mit einem herkömmlichen Reaktor verbessert werden und Fig. 6B zeigt diese Tatsache, wobei die unterbrochene Linie die Erfindung und die ausgezogene Linie die herkömmliche Tech nik darstellen.

Da die Wandstärke des Kanalkastens gemäß der Erfindung dünn gemacht ist, nimmt außerdem der unenedliche Multiplikations faktor K∞ weiter zu, zusätzlich zu seiner Zunahme aufgrund der groben und dichten Anordnung der Brennstäbe in dem Brenn stoffbündel gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 7 gezeigt, nimmt der unendliche Multiplikationsfaktor K∞ während der Betriebs periode des Hochtemperaturreaktors zu. Es kann daher eine Ver längerung des Betriebszyklus erreicht und die Reaktorwirt schaftlichkeit so verbessert werden. Darüber hinaus vergrößert sich die Menge des Kühlmittels als Moderator in der obe ren Hälfte des Reaktorkerns, so daß die Leistung im oberen Halbteil des Reaktorkerns zunehmen kann und die axiale Lei stungsverteilung während des Reaktorbetriebszyklus flach ge halten werden kann (gestrichelte Linien), wie in Fig. 8 ge zeigt, womit die Zuverlässigkeit des Brennstoffs im Vergleich mit der herkömmlichen Technik (ausgezogene Linie) verbessert ist. Die Zunahme beim Kühlmittelfluß an der stromabwärtigen Seite in den Kanalkasten kann zur Erleichterung bei Ausfall des Kühlmittels während der Reaktorbetriebsdauer verteilt wer den, während der Betriebsabschaltperiode existiert der Modera tor jedoch übermäßig stark und die Neutronenabsorptionsrate steigt an, d.h., der Ausnutzungsfaktor der thermischen Neutro nen nimmt ab, um die Unterkritikalität des Reaktors zu verbes sern, und daß daher die Abschalt-Sicherheitstoleranz des Reak tors ausreichend aufrechterhalten werden kann.

Die erwähnten, verbesserten Effekte und Vorteile gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung können auch durch ein re gelmäßiges Anordnen der Brennstäbe 4 im Kanalkasten in neun Reihen und 9 Spalten erreicht werden.

Fig. 9 zeigt eine Brennstoffanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Aufbau, bei dem ein großes quadratförmiges Wasserrohr 30 mit einer den neun Brenn stäben entsprechenden Größe im wesentlichen im Zentralteil des quergeschnittenen Kanalkastens angeordnet ist und die Brenn stäbe 4 ebenso im übrigen Raum des Kanalkastens regelmäßig in neun Reihen und Spalten angeordnet sind.

Das Wasserrohr 30 besitzt einen dünneren Wandteil 30 b, wie aus Fig. 10 zu sehen, dessen Dicke durch Abtragen seiner äußeren Fläche zur Steigerung des Kühlmittelflusses nahe diesem Teil dünn ausgebildet ist, und wobei die Wandstärke des Kanalkastens 1 durch Abtragen der Innenfläche stufenförmig dünner wird, wie dies anhand der ersten Ausführungsform der Erfindung mit den Bezugszeichen 1 a, 1 b und 1 c beschrieben ist, womit die Strö mungsfläche im Kanalkasten 1 vergrößert wird.

Wie die Fig. 11A zeigt, sind gemäß dieser zweiten Ausführungs form die Innenfläche des Kanalkastens 1 und die Außenfläche des quadratischen Wasserrohres 30 abgetragen, um diese Ab schnitte dünn auszubilden, so daß der örtliche Fluß des Kühl mittels in die mit Pfeilen versehenen Richtungen geleitet wird. Die axiale Flußgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Brenn stoffbündel nimmt aufgrund dieser eingeengten Flußbewegungen ab und dementsprechend kann das Abschälphänomen des Flüssig keitsfilms von den Oberflächen der Brennstäbe merklich unter drückt werden. Wie die Fig. 11B zeigt, kann dementsprechend die thermische kritische Leistung des Reaktors gemäß der zwei ten Ausführungsform (ausgezogene Linie) im Vergleich mit der herkömmlichen Technik (gestrichelte Linie) verbessert werden.

Der Kanalkasten dieser zweiten Ausführungsform hat eine Wand stärke von 2,0 bis 3,0 mm und teilweise um 1 mm in axialer Richtung, und das Wasserrohr hat einen Wandaufbau mit gewöhnlich einer Dicke von 1,0 bis 1,5 mm. Das Ausbilden einer Wand des Wasserrohres mit einem Abschnitt mit einer Dicke < 0,5 mm führt zu einem Problem in Hinsicht der mechanischen Festig keit des Wasserrohres. Wie aus Fig. 12 zu sehen ist, darf da her die Dicke des Wandaufbaus des Wasserrohres nach rechts von dem Punkt A 1 nicht vermindert werden, um einen ausgedehn ten Kühlmitteldurchfluß zu erhalten. Bezüglich der Dicke der Wand des Kanalkastens kann diese in dem Bereich nach rechts von den Punkten A 2 in Fig. 12 weiter vermindert werden. Wie oben beschrieben, ist die den kombinierten Effekt darstellen de Kurve am Punkt A 3 von der Kurve d abgeknickt, wie dies die Kurve c zeigt, welche nach rechts und nach oben sowie parallel zur Kurve b ansteigt. Fig. 12 zeigt nämlich die Tatsache, daß die Kurve c zur Darstellung des kombinierten Effektes der Kurve b erhalten wird, welche den Effekt aufgrund des Abtragens der Innenfläche des Kanalkastens zeigt, sowie der Kurve a, welche den Effekt aufgrund des Abtragens der Außenfläche des Wasser rohres repräsentiert.

Der unendliche Multiplikationsfaktor K steigt im wesentlichen linear im Zusammenhang mit einem vergrößerten Flußbereich (kombinierter Bereich) an, so daß der Betriebszyklus der Brennstoffanordnung gemäß dieser Erfindung bedeutsam verlängert und die Brennstoffwirtschaftlichkeit außerdem verbessert werden kann. Da die Menge des Kühlmittels als Moderator in der oberen Hälfte des Reaktorkerns vergrößert ist, nimmt auch die Leistung in diesem Bereich zu, und die axiale Leistungsverteilung kann gemäß der gestrichelten Linie in Fig. 8 flach gehalten werden in bezug auf die vorgenannte erste Ausführungsform. Die Zuver lässigkeit des Brennstoffes kann im Vergleich mit einer her kömmlichen Brennstoffanordnung ebenfalls verbessert werden.

Die Fig. 13 ist ein Querschnitt durch eine Brennstoffanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein unteres Düsenelement 10 integral mit dem Kanalkasten 1 ver eint ist und das untere Düsenelement trennbar von der unteren Platte 6 ausgebildet ist. Bei einer Brennstoffanordnung dieser Art ist demgemäß das Brennstoffbündel an der oberen Halteplat te 7 befestigt und kann in den Kanalkasten 1 eingeführt und aus dessen Innerem herausgeführt werden. Für diese Tätigkeit sind Anschlagelemente 9 an der äußeren Umfangsfläche der ent sprechenden Abstandhalter 8 angebracht, welche gegen die abge tragene Innenfläche des Kanalkastens 1 anschlagen, wie Fig. 14 zeigt. Nachdem die Innenfläche stufenförmig abgetragen ist, be sitzen die oberen Anschlagelemente 9 eine in horizontaler Rich tung größere Länge als die unteren Anschlagelemente.

Die Fig. 15 zeigt die vierte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Innenfläche des Wandaufbaus des Kanalkastens 11 stufenförmig dünner wird, wie dies durch 11a, 11b und 11c in den Fig. 15A bis 15D gezeigt ist, und bei der ferner insbeson dere gemäß Fig. 15E die Innenfläche des Kanalkastens 11 mit Rillen oder Nuten 12 versehen ist, die eine Größe aufweisen, daß die Anschlagelemente 9 der Abstandshalter eingesetzt werden können. Durch dieses Eingreifen kann der Aufbau des Kanalkastens 11 stabiler ausgebildet werden und außerdem kann die horizontale Vibration des Brennstoffbündels im Kanalkasten 11 wirksam ver hindert werden. Dabei reicht jede Nut 12 vorzugsweise in einen Bereich nach unten, der etwas unterhalb der Anordnung des un tersten Abstandhalters (SP 1 von Fig. 5A) liegt. Der Grund, wes halb die Nuten 12 nicht bis zu dem unteren Endteil des Kanal kastens 11 reichen, ist als Gegenmaßnahme gegen einen Leckfluß des Kühlmittels des Kanalkastens und gegen einen großen Innen druck im Kanalkasten zu sehen. Eine große Beanspruchung von außen wird an jedem inneren Eckteil des Kanalkastens aufgrund des inneren Druckes des Kühlmittels hervorgerufen, so daß die Dicke 11 a der Eckteile größer ausgebildet ist. Da die Außenbe lastung an den Eckteilen und die Innenbelastung an den Seiten flächen - ausgenommen in Nachbarschaft der Eckteile - in dem Be reich ausgeglichen werden, in welchen die Nuten 12 zum Gering halten der Belastung ausgeformt sind, ist es nämlich für diesen Bereich möglich, dieser Belastung selbst dann zu widerstehen, wenn dessen Dicke durch Ausbildung der Nuten 12 vermindert wird, durch welche die Anschlagelemente der Abstandhalter eingeführt werden. Die innere Belastung im Verhältnis zu dem inneren Druck wird auf einen jenem Teil des Kanalkastens folgenden Bereich ausgeübt, so daß der Folgebereich nicht dünn ausgebildet werden kann, es aber schon möglich ist, den Bereich nahe dem Eckteil im Vergleich mit jenem dünn auszubilden.

In Fig. 16 ist eine Darstellung eines aufrechten Schnittes einer fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt, bei welcher der Wandaufbau des Kanalkastens 14 zwei abgestufte Teile 14 a und 14 b mit unterschiedlichen Dicken in axialer Richtung des Kastens 14 aufweist. Dieser Aufbau des Kanalkastens 14 ist bei einer Reaktoranlage wirksam anwendbar, bei welcher Gegen maßnahmen zu Erdbeben im besonderen gefordert sind. Obgleich der Effekt zum Reduzieren des Druckverlustes verringert werden kann, ist der Aufbau verhältnismäßig fest in bezug auf die horizontale Beanspruchung ausgebildet, da die Dicke des Wand aufbaus in einem oberen Bereich des Kanalkastens 14 verhältnis mäßig groß ist. Der verdickte Teil 14 a ist mit Nuten 15 versehen, durch welche die Anschlagelemente der Abstandhalter eingeführt werden, und die Tiefe der Nuten ist gleich der Dicke des oberen Teils 14 b der Wand des Kanalkastens.

Fig. 17 zeigt die sechste Ausführungsform gemäß der Erfindung, welche sich durch die Berücksichtigung der Tatsache auszeichnet, daß der Wert der größten Belastung durch Abschrägen der Eck teile der entsprechend abgestuften Teile des Kanalkastens ver mindert wird, um die Dicke des Kanalkastens 16 weiterhin zu verringern. Bei dieser Ausführung des Kanalkastens 16 ist es erforderlich, die Brennstäbe zu entfernen, die in den Eckbe reichen des Brennstoffbündels liegen sollen, wogegen die Eck teile des oberen Bereiches des Kanalkastens 16 im Reaktorkern bereich wegen der geringen Belastung nicht abgeschrägt sind, wie Fig. 17E zeigt. Fig. 18 ist eine Seitenansicht eines Längs schnittes einer Brennstoffanordnung, welche den in Fig. 17 gezeigten Kanalkasten verwendet, dessen Dicke stufenweise ver ringert ist, wie das in den Fig. 17A und 17B durch die Bereiche 16 a, 16 b und 16 c von der stromaufwärtigen Seite zu der strom abwärtigen Seite des Kühlmittels dargestellt ist. Gemäß diesem Aufbau kann die Kühlmittel-Durchflußfläche an den Eckbereichen erweitert werden, womit eine Verminderung des Druckverlustes des Kühlmittels erreicht wird. In der Darstellung der Fig. 18 bezeichnen die Bezugszeichen 17, 18 und 19 die Brennstoff bündel 17, die Abstandhalter 18 und die Anschlagelemente 19.

Fig. 19 ist eine kombinierte Ansicht, welche die Belastungs verteilung auf der Basis des inneren Druckes des Kühlmittels in dem Kanalkasten beschreibt. Unter Bezugnahme auf die gra fische Darstellung der Fig. 19 werden die Belastungsvertei lungen gegen den inneren Druck durch die ausgezogene Kurve a bei Verwendung eines herkömmlichen Kanalkastens dargestellt, mit der gestrichelten Kurve b unter Verwendung des Kanalka stens gemäß dieser Erfindung, wobei ein großer Radius R für den Eckenbereich vorgesehen ist, und durch die strichpunktier te Kurve c bei Verwendung des Kanalkastens gemäß der Erfin dung, bei welcher abgeschrägte Eckteile vorgesehen sind. Wie aus dieser grafischen Darstellung entnommen werden kann, sind die vertikalen Nuten, durch welche die Kanalanschlagele mente der Abstandhalter eingeführt werden, in den Wandteilen des Kanalkastens ausgeformt, wobei die auf diese ausgeübten Beanspruchungen gering sind, so daß die Lage der Nuten kein besonderes Problem für den Aufbau des Kanalkasten bringt.

Fig. 20 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung ei ner siebten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei welcher die Brennstäbe 22 jeweils eine kurze axiale Länge haben, im folgenden einfach genannt Teilelängen-Brennstab oder Kurz- Brennstab und in Fig. 20 mit dem Buchstaben P bezeichnet sind. Die Brennstäbe 22 sind in Bereichen (2,2) eingesetzt, welche die zweite Reihe und die zweite Spalte der Brennstab-Anord nung im Kanalkasten kreuzen, wodurch der Druckverlust ver bessert wird. Die Kurz-Brennstäbe 22 sind mit ausgerichteten unteren Enden versehen. Um diese Effekte zu steigern, kann die Außenfläche des rechteckigen Wasserrohrs gemäß Fig. 10 abgetragen werden, um den Kühlmitteldurchfluß zu erweitern.

Mit der Anordnung dieser Brennstoffeinheit ist das Kühlmit tel in den weiten Spaltbereichen g zwischen den Unterkanä len einer Konzentration unterworfen, so daß die Innenfläche des Kanalkastens 20 gemäß der Erfindung für eine wirksame Führung des Kühlmittels abgetragen ist, woraus eine Verbes serung des thermischen Spielraums in den Eckbereichen der Brennstoffanordnung folgt. Der thermische Spielraum oder die thermische Toleranz kann weiterhin durch Ausdehnung des Innenraums des Kanalkastens verbessert werden. Mit dem Kanal kasten dieser Ausführungsform wird die Dicke der Wand des Kanalkastens 20 von der stromaufwärtigen Seite zu dessen stromabwärtigen Seite stufenweise verringert, was die Fig. 20 jedoch nicht zeigt, und ein großes Wasserrohr 23 mit quadratischem Querschnitt ist im wesentlichen im Zentralteil des Kanalkastens 20 eingesetzt, und die üblichen Brennstäbe, ausgenommen die Kurz-Brennstäbe 22, sind mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Bei den folgenden Ausführungsformen gemäß den Fig. 21 bis 28 verringert sich die Dicke des Wandaufbaus eben so stufenweise von den stromabwärtigen Seiten, d.h. der unte re Teil, zu der stromabwärtigen Seite, das ist der obere Teil, des Kanalkastens, was nicht im folgenden besonders beschrie ben wird.

Fig. 21 ist eine Draufsicht auf die achte Ausführungsform ge mäß der Erfindung, wobei Brennstoffstäbe 21 an den Eckberei chen des Kanalkastens zu Bereichen verlagert sind, welche ge genüber der Seitenflächen des rechteckigen Wasserrohrs 25 lie gen, das zentral in dem Kanalkasten 24 zur Vermeidung der Kon zentration des Kühlmittels nahe an dem Wasserrohr 25 angeord net ist. Gerade bei einer solchen Anordnung der Brennstoffein heiten ist das Kühlmittel gezwungen, sich in den Spalten g zu konzentrieren, welche zwischen den entsprechend benachbar ten Unterbündeln begrenzt sind, die wiederum den gleichmäßigen Fluß des Kühlmittels entlang der inneren Fläche des Kanalka stens 24 verhindern. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist die Dicke in axialer Richtung des Kanalkastens gemäß der Erfin dung dünner ausgebildet, und die Eckteile des Kanalkastens 24 wie dargestellt abgeschrägt, um die Belastung aufgrund des inneren Drucks zu vermindern und daher die Dicke der inneren Fläche des Kanalkastens zu reduzieren.

Fig. 22 ist eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein großes Wasserrohr 26 mit ei ner Kreuzform im Querschnitt zentral in der Brennstoffanord nung vorgesehen ist, und zwei Kurz-Brennstäbe 22, bezeichnet mit dem Buchstaben P, auf einer Linie angeordnet sind, wel che von jedem Stirnende des Kreuz-Wasserrohrs 26 ausgeht. Das obere Ende eines jeden Kurz-Brennstabes 22 ist so ange ordnet, daß es niedriger liegt als dasjenige der gewöhnlichen Brennstäbe 21, so daß die ausgedehnte Fläche des Kühlmittels, d.h. Wasser, oberhalb der oberen Enden der Kurz-Brennstäbe 22 und des Wasserrohrs 26 gebildet ist. Aufgrund des Aufbaus die ser Ausführungsform kann die Abschalt-Sicherheitstoleranz des Reaktors verbessert werden, und der Druckverlust bezüglich des Kühlmittels kann reduziert werden. Der verbesserte Leervolumen anteil kann erreicht und die axiale Leistungsverteilung ebenso verbessert werden. Der Kühlmittelfluß konzentriet sich jedoch in den oberen Bereichen der Kurz-Brennstäbe 22 oder des Spal tes g 3, um die Kurz-Brennstäbe herum, was ein Absinken der Kühlmöglichkeit an den Teilen nahe der Innenfläche des Kanals und insbesondere an einem oberen Teil des Kerns (von dem obe ren Ende zu einem davon in einem Abstand von einem Viertel der Gesamtlänge des Kerns entfernt gelegenen Teil) am Ort des Spaltes g 2 zur Folge hat. Dieser Nachteil kann durch Abtragen der Innenfläche des Kanalkastens eliminiert werden, um eine große Menge Kühlflüssigkeit zu dem oberen Teil des Kerns fließen zu lassen und die Kühlcharakteristik an diesem Teil in dem Kanalkasten zu verbessern.

Fig. 23 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung ei ner zehnten Ausführungsform der Erfindung. Darin ist gezeigt, daß das Kühlmittel veranlaßt ist, sich in Spalten g zu kon zentrieren, die zwischen den entsprechenden Unterbündeln und den Spalten g 1 begrenzt werden, welche wiederum zwi schen den inneren Eckteilen der entsprechenden Unterbündel und dem äußeren Rand des runden Wasserrohres 27 liegen. Letzterer ist zentral in der Brennstoffanordnung angeord net. Demgegenüber ist der Kühlmittelfluß gering in den Spal ten g 2, welche zwischen den äußeren Eckteilen der Unterbün del und dem Kanalkasten 20 liegen. Dieser Mangel kann je doch merklich dadurch verbessert werden, indem der Kanal kasten mit reduzierter Wandstärke gemäß der Erfindung vorge sehen wird.

Fig. 24 ist eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform gemäß der Erfindung, welche allgemein BWR-D Gittertyp-Brenn stoffanordnung genannt wird, bei welcher die Wasserspalte um die Brennstoffanordnung weite und schmale Spalte sind und bei welcher ein großes Wasserrohr 27 vom Zentralteil des Kanal kastens 20 verschoben ist. Bei einer solchen Anordnung des Was serrohrs 27 und der Brennstäbe 21 konzentriert sich das Kühl mittel in den Spalten g, welche zwischen den entsprechenden Unterbündeln gebildet sind, wogegen der Kühlmittelfluß in den Spalten g 2 zwischen Kanalkasten 20 und den Eckteilen der ent sprechenden Unterbündeln gering ist. Dieser Mangel kann jedoch merklich dadurch verbessert werden, daß der Kanalkasten mit einem Aufbau gemäß der Erfindung versehen ist, wie dies oben beschrieben ist.

Fig. 25 zeigt ebenfalls eine Draufsicht auf eine Brennstoff anordnung einer zwölften Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei welcher wie in Fig. 24 das Kühlmittel sich in den Spal ten g zwischen den entsprechenden Unterbündeln konzentriert, wogegen sein Fluß in den Spalten g 2 zwischen der Innenseite des Kanalkastens 20 und den Eckteilen der entsprechenden Un terbündeln gering ist. Dieser Mangel kann ebenso durch Vor sehen eines Kanalkastens verbessert werden, der eine vermin derte Wandstärke gemäß der Erfindung wie oben beschrieben aufweist.

Fig. 26 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung einer dreizehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der die Brennstäbe 21 in acht Reihen und acht Spalten ange ordnet sind und ein quadratisches Wasserrohr 28 mit einer Größe entsprechend vier (2×2) Brennstäben 21 zentral im Ka nalkasten 20 vorgesehen ist. Acht Kurzbrennstäbe 22 (P) sind jeweils zu zweit an den Stellen gegenüber den Seitflächen des quadratischen Wasserrohrs 28 angeordnet. Jeder Kurzbrenn stab 22 weist eine Länge von 3/4 der Länge der gewöhnlichen Brennstäbe 21 auf, wobei ein Raum oberhalb dieser Kurzbrenn stäbe 22 gebildet wird, durch welchen das Kühlmittel fließt. Die Kühlmittelanordnung dieser Ausführungsform ist als hoch wirtschaftliche Kühlmittelanordnung zur Verbesserung der Re aktor-Abschaltsicherheitstoleranz ausgebildet, für eine Ver besserung der axialen Leistungsverteilung oder axialen Lei stungsabflachung, zur Verringerung des Druckverlustes und Verbesserung des Leervolumenanteils. Die Tendenz der Konzen tration des Kühlmittelflusses im oberen Bereich der Kurz brennstäbe 22 kann durch Abtragen der inneren Fläche des Kanalkastens 20 verbessert werden, womit der Kühlmittelfluß nahe der Innenfläche im Kanalkasten 20 verbessert wird.

Fig. 27 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung einer vierzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wel che in vier Unterbündel durch Einsetzen eines kreuzförmigen Kanalelementes 29 aufgeteilt ist. Jedes Unterbündel 31 wird durch sechzehn Brennstäbe in vier Reihen und vier Spalten gebildet. Ein nicht-siedender Wassermoderator fließt in dem Kanalelement 29 und siedendes Wasserkühlmittel fließt durch die entsprechenden Unterbündel 31. Die Innenfläche des Kanal kastens 1 ist ausgefräst, so daß der Durchlaß, durch welchen das siedende Kühlmittel fließt, in Richtung stromabwärts ge weitet ist. Die Dicke der Wand des Kanalkastens 1 wird näm lich von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite des Kühlflusses stufenweise dünner.

Das Unterbündel kann natürlich auch durch eine Brennstab- Anordnung auf der 4×4-Anordnung gebildet werden, und ein großes Wasserrohr kann außerdem in dem Bereich des nicht siedenden Moderators vorgesehen werden.

Fig. 28 ist eine Draufsicht einer Brennstoffanordnung einer fünfzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei wel cher ein großes Wasserrohr 34 mit quadratischem Querschnitt und mit einer Größe entsprechend vier Brennstäben vier in einer um einen Winkel 45° gedrehten Weise im wesentlichen im Zentralteil des Kanalkastens 1 angeordnet ist. Das qua dratische Wasserrohr 34 ist mit vier Kanalelementen 35 ver sehen, welche von den entsprechenden Eckteilen des quadrati schen Wasserrohrs 34 in Kreuzform ausgehen, womit das Innere der Brennstoffbündel in vier Unterbündel 36 geteilt wird, wobei in jedem die Brennstäbe 4 in vier Reihen und vier Spal ten angeordnet sind, der innerste Brennstab des jeweiligen Unterbündels jedoch weggelassen ist, um das zentrale Wasser rohr 34 einsetzen zu können. Ein nicht-siedendes Wasser, wie ein Moderator, fließt in dem Wasserrohr 34 und durch die Ka nalelemente 35 und siedendes Wasser durch die entsprechenden Unterbündel 36. Die Innenfläche des Kanalkastens 1 ist stu fenweise abgetragen, so daß der Durchfluß, durch welchen das siedende Kühlmittel fließt, sich nach der stromabwärti gen Seite des Kühlmittels erweitert. Auch das quadratische Wasserrohr 34 und die kreuzförmigen Kanalelemente 35 sind stufenweise für denselben Zweck abgetragen. Wasserdurchläs se 37 sind in den entsprechenden Eckteilen des quadratischen Wasserrohres 34 ausgeformt.

Gemäß dem Aufbau einer Brennstoffanordnung dieser fünfzehn ten Ausführungsform kann ein gleichmäßiger Fluß des Kühlmit tels 28 a in dem Bereich zwischen dem Eck-Brennstab 4 a und dem Kanalkasten 1 erreicht werden. Die Zunahme der Durchlaß fläche für den Kühlmittelfluß verbessert die Abschalt- Sicherheitstoleranz des Reaktors und läßt eine Verminde rung des Druckverlustes zu. Außerdem kann der Leervolumen anteil und die axiale Leistungsverteilung merklich verbes sert werden.

Das Vermeiden des Absinkens der Kühlmöglichkeit an den Eck teilen der Brennstoffbündel wird nunmehr anhand der Fig. 29 beschrieben.

In Fig. 29A ist eine Teilansicht eines Eckenbereichs einer Brennstoffanordnung im herkömmlichen Aufbau gezeigt, bei welcher die Brennstäbe 4 gleichmäßig in einem rechteckigen oder quadratischen Kanalkasten 1 angeordnet sind. Wenn nun ein Eck-Brennstab 4 a in Fig. 29A weggelassen wird, vergrößert sich der Krümmungsradius der Innenfläche des Eckteils des Kanalkastens von R ₀mm zu R ₁mm (R ₀<R ₁) gemäß Fig. 29B. Als Folge davon ist die Innendruck-Belastung im Eckenbereich vermindert, so daß die Dicke der Wand des Kanalkastens dünn gemacht werden kann. Bei Berücksichtigung des Gesamtaufbaus des Kanalkastens des Typs "Vergrößerung der Innenkanalfläche" kann daher die Kühlcharakteristik im äußeren Bereich der lo sen und dichten Gitteranordnung verbessert werden. Bei Be rücksichtigung des Gesamtaufbaus des Kanalkastens des Typs "Vergrößerung der Außenkanalfläche" ist auf der anderen Sei te der nicht-siedende Bereich vermehrt, nimmt die Reaktivität während der Betriebsperioden bei Hochtemperaturleistung zu und können die Steuerelemente leicht ein- oder ausgeführt werden. Zusätzlich können diese vorteilhaften Effekte weiter hin verbessert werden durch Abschrägen der Eckbereiche des Kanalkastens, wie in der Fig. 29C gezeigt ist.

Fig. 30 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung einer sechzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei welcher die oben beschriebene Technik berücksichtigt ist.

Nach Fig. 30 besitzt die Brennstoffanordnung dieser Ausfüh rungsform einen Kanalkasten 40 mit einer gleichmäßigen äußeren Form, bei welcher ein großes Wasserrohr 27 in dem im wesentlichen zentrischen Teil des Kanalkastens 40 angeordnet ist und ein Brennstoffbündel in grober und dichter Anordnung in den übrigen Raum in dem Kanalkasten 40 eingeführt ist. Das Brennstoffbündel ist in eine Vielzahl von Unterbündel 41 eingeteilt (neun in der dargestellten Ausführungsform), wo bei die Brennstäbe 21 jeweils in drei Reihen und drei Spal ten mit Abständen dazwischen angeordnet sind. Die Brennstä be 21 a, welche an den entsprechenden Eckteilen des Kanalka stens 40 liegen sollten, sind dort entfernt und zu dem gegen überliegenden Bereich des Außenumfangs des großen Wasserrohrs 27 verlagert worden.

Da der Krümmungsradius des Eckbereichs des Kanalkastens ver größert ist, kann gemäß dem Aufbau dieser Ausführungsform die Dicke der Wand des Kastens dünn gemacht werden, wodurch die parasitäre Absorption der Neutronen und daher die Brenn stoffkreislaufkosten (FCC) verringert sind. Die Vergrößerung der Innenfläche des Kanalkastens resultiert außerdem in der Verbesserung der Kühlmöglichkeit der Brennstäbe, welche an der äußeren Peripherie der Brennstoffbündel angeordnet sind, und gewährleistet eine Zuverlässigkeit des Brennstoffs. Auf grund der Zunahme des Krümmungsradius im Eckbereich gelangt das nicht-siedende Wasser etwas in das Innere des Bündels im Vergleich mit dem herkömmlichen Aufbau, so daß die Reaktivi tät verbessert werden kann. Der Durchmesser des großen Was serrohrs 29, der im Zentralteil des Bündels angeordnet ist, kann daher etwas vermindert sein, so daß das Einführen der Eck-Brennstäbe 21 in einem Raum, als Brennstäbe 21 a, nahe dem äußeren Umfang des Wasserrohres 27 leicht ausgeführt werden kann, womit die Verringerung des Brennstoffinventars vermieden ist. Die Lage der Brennstäbe 21 a in dem breiten Wasserspalt nahe dem Wasserrohr 27 kann wirksam die Konzen tration des Kühlmittels in diesem Spaltteil unterdrücken, womit eine gleichmäßige Kühlwirkung für die Brennstäbe in dem Bündel effektiv erreicht wird und damit eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des Brennstoffs gegeben ist.

Fig. 31 ist eine Draufsicht der siebzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, welche sich lediglich in dem Punkt von der Ausführungsform nach Fig. 30 unterscheidet, daß die Außenwände der Eckbereiche des Kanalkastens abgeschrägt sind und demgemäß gleiche Bezugszeichen den Elementen entsprechend denjenigen der Fig. 30 gegeben sind, wobei eine detaillierte Beschreibung dieser Elemente entfallen kann.

Bei der Konstruktion der Kanalkasten nach Fig. 16 und nach üblicher Art werden an den Eckbereichen Außenbelastungen her vorgerufen und Innenbelastungen gegen den Innendruck an den Seitenteilen, ausgenommen sind diejenigen Bereiche nahe den Eckteilen, wobei jedoch bei einem Aufbau des Kanalkastens ge mäß Fig. 32 Innenbelastungen an den geraden, abgeschrägten Eckteilen entstehen, so daß die oben erwähnten Außenbelastun gen größtenteils abnehmen. Daher kann die Dicke des Kanal kastens noch dünner sein.

Fig. 32 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung ei ner achzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei wel cher ein quadratisches Wasserrohr 28 im Zentralteil des Ka nalkastens 46 angeordnet ist und eine Vielzahl von Brennstä ben 21 gleichmäßig in dem von dem Wasserrohr 28 unbesetzten Raum angeordnet ist. Die Eckteile des Kanalkastens 46 sind geradlinig abgeschrägt. Bei der Brennstoffanordnung dieser Ausführungsform sind die Brennstäbe 21 in gleichmäßigen Ab ständen angeordnet, und die Eck-Brennstäbe 21 a sind in den Bereich gegenüber der Seitenflächen des quadratischen Wasser rohres 28 verlagert, um ein Absinken der Gesamtzahl zu vermei den, so daß die Größe des quadratischen Wasserrohres 28 etwas im Verhältnis mit den anderen Ausführungsformen vermindert ist.

Fig. 33 ist eine Draufsicht einer Brennstoffanordnung einer neunzehnten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei wel cher die Eckteile des Kanalkastens 47 linear abgeschrägt und die Brennstäbe in loser und dichter Anordnung eingesetzt sind, d.h. in einer 4-1-4-Anordnung, so daß im Zentralteil des Kanalkastens 47 ein verhältnismäßig großes, quadrati sches Wasserrohr 30 eingesetzt werden kann. Da die Eckteile des Kanalkastens 47 gemäß dieser Ausführungsform abgeschrägt sind, kann die Dicke der Wand des Kanalkastens dünn ausge führt sein, und da die Brennstäbe in loser und dichter Anord nung eingesetzt sind, kann das relativ große, quadratische Wasserrohr leicht festgelegt werden. Außerdem kann das nahe den Eckteilen des Kanalkastens befindlich, nicht-siedende Wasser in den Innenteil des Brennstoffbündels geführt werden, so daß der effektive Neutronen-Multiplikationsfaktor K _eff verbessert werden kann. Nachdem die Brennstäbe, die an den Eckteilen des Kanalkastens angeordnet sein sollten, entfernt worden sind, wird die Kühlmöglichkeit an diesen Teilen ver bessert. Die Anpassung des relativ großen Wasserstabes kann die Konzentration des Kühlmittels im Bereich nahe dem Wasser rohr unterdrücken. Somit kann ein gleichmäßiger Kühleffekt erreicht werden, und die Zuverlässigkeit des Brennstoffs kann ebenso verbessert werden. Außerdem werden Brennstoffteile bei den Brennstäben, die in den von den Eckteilen des quadra tischen Wasserrohrs nach außen führenden Spalten angeordnet sind, in Bereichen entfernt, in denen die Abschalt-Sicher heitstoleranz des Reaktors schwer aufrechtzuerhalten ist, so daß die Aufrechterhaltung der Abschalt-Sicherheitstole ranz des Reaktors merklich verbessert werden kann. Der Druck verlust kann ferner durch Ausbildung der Brennstäbe P als Kurzbrennstäbe durch Abschneiden der oberen Teile als ver schwindende Stäbe verbessert werden.

Fig. 34 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung ei ner zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Brennstäbe in einer losen und dichten Anordnung, d.h. in einer 4-2-4-Anordnung eingesetzt sind und im Zentralteil des Kanalkastens 47 ein großes, quadratisches Wasserrohr 30 ein gesetzt ist, wobei die Eckteile des Kanalkastens linear ab geschrägt sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Brenn stäbe in zehn Reihen und zehn Spalten angeordnet, so daß die Senkung der Gesamtzahl vermindert werden kann, selbst wenn die Brennstäbe von den Eckteilen des Kanalkastens 47 entfernt werden, womit die vorteilhaften Effekte durch Ab schrägen der Eckteile des Kanalkastens 47 noch wirksamer erreicht werden.

Fig. 35 ist ebenfalls eine Draufsicht einer Brennstoffan ordnung der einundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein großes Wasserrohr 27 im Zentralteil des Kanal kastens 47 angeordnet ist und Brennstäbe in einer Anordnung von zehn Reihen und zehn Spalten eingesetzt sind. Das Innere des Kanalkastens 47 ist gleichmäßig in vier Unterbündel 36 durch Einsetzen eines kreuzförmigen Kanalelementes 48 aufge teilt. Der nicht-siedende Wassermoderator fließt in dem Was serrohr 27 und dem Kanalelement 28, und das siedende Wasser kühlmittel fließt durch die Unterbündel 36.

Übersetzung der Beschriftung in den Figuren

Claims

1. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor mit einem Brennstoffbündel aus einer Mehrzahl von unter Verwendung von Abstandhaltern regelmäßig angeordne ten Brennstäben und mit einem den Außenumfang des Brenn stoffbündels umgebenden Kanalkasten, dadurch gekennzeich net, daß die innere Querschnittsfläche des Kanalkastens von der stromaufwärtigen Seite einer Kühlmittelströmung in deren stromabwärtigen Seite zunimmt.

2. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Kanal kastens von der stromaufwärtigen Seite der Kühlmittelströ mung gegen deren stromabwärtige Seite stufenweise abnimmt.

3. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Kanalka stens eine axiale Länge L aufweist, wobei die axiale Län ge L in einem unteren Teil mit einer axialen Länge von 1/4 bis 1/3 der Länge L, einen dazwischen liegenden Teil und einen oberen Teil mit einer axialen Länge von mindestens 1/4 der Länge L aufgeteilt ist, und der untere Teil eine Dicke aufweist, die größer als die des dazwischen liegen den Teils ist, und der obere Teil eine Dicke aufweist, die geringer als die des dazwischen liegenden Teils ist.

4. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kanalkasten mit Eckteilen versehen ist, welche jeweils mit einem Krümmungsradius sol cher Größe gebogen sind, daß die in die Bereiche gegenüber der Eckteile einzusetzenden Brennstäbe entfernt sind.

5. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kanalkasten mit Eckteilen versehen ist, welche jeweils linear in einem Ausmaß abge schrägt sind, daß die in die Bereiche gegenüber den Ecktei len einzuführenden Brennstäbe entfernt sind.

6. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß Elemente zum Anliegen an Ab standhalter an der Innenfläche der Wand des Kanalkastens angeordnet sind, ausgenommen an den Innenflächen der Wand maximaler Dicke.

7. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß Elemente zum Anliegen an der In nenfläche der Wand des Kanalkastens an dem äußeren Umfang der Abstandhalter angeordnet sind, ausgenommen an den Innen flächen maximaler Wandstärke.

8. Brennstoffanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Innenfläche des Kanalkastens mit einem axialen Durchgang für die Anschlagelemente zu de ren Einführung vorgesehen sind, ausgenommen im Bereich minima ler Wandstärke.

9. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Wasserrohr in dem Brennstoffbün del vorgesehen ist.

10. Brennstoffanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Außenfläche des Wasserrohres von der stromaufwärtigen Seite der Kühlmittelströmung zur stromabwärtigen Seite abgetragen ist, um dessen Dicke allmäh lich abnehmen zu lassen.