DE3834611C2 - - Google Patents
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- G21C15/06—Arrangements or disposition of passages in which heat is transferred to the coolant; Coolant flow control devices from fissile or breeder material in fuel elements
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- G—PHYSICS
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffanordnung für einen
Kernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine
solche Brennstoffanordnung ist in der älteren, nicht vorveröffentlichten
EP 02 83 839 A2 offenbart.
Eine Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor (BWR) wird
durch einen quadratischen Kanalkasten gebildet, in welchem eine
Anzahl von Brennstäben regelmäßig angeordnet sind, von denen ein
jeder einen metallischen Überzug und ein Brennstoffbündel
aufweist, in welchen Kernbrennstoff gepackt ist. Der Reaktorkern
des BWR enthält eine Vielzahl von Zellen, von denen jede ein
kreuzförmiges Regelelement und vier das Regelelement umgebende
Brennstoffanordnungen aufweist, wobei diese Zellen auf eine
regelmäßige Weise in dem Kern angeordnet sind. Jede Brennstoffanordnung
und jedes Regelelement weisen jeweils Achsen auf, die
senkrecht und parallel zueinander verlaufen, 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 Dampfblasen gebildet, jedoch werden viele Blasen
an anderen Stellen als im Bodenbereich des Reaktorkerns erzeugt,
und der Dampfblasenanteil im Moderator-Durchlaß, der oberhalb
seines Zentralteils 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 ΔPT/ΔZ durch die Summe der
nachfolgenden vier Faktoren wiedergegeben:
wobei
ΔPh: Positionsverlust,
ΔPa: Beschleunigungsverlust,
ΔPf: Reibungsverlust und
ΔPL: Platzverlust (beispielsweise aufgrund der Lage der Abstandshalter).
ΔPa: Beschleunigungsverlust,
ΔPf: Reibungsverlust und
ΔPL: 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
ΔPf: Reibungsverlust des Brennstoffbündels.
A: Moderatorfluß-Durchgangsfläche,
p: Moderatordichte,
g: Gravitätskonstante,
f: Reibungsverlustkoeffizient des Brennstoffbündels und
ΔPf: Reibungsverlust des Brennstoffbündels.
Der Kühlmittelfluß wird hauptsächlich durch einen Ablauf
druck am Ausgang einer Umwälzpumpe hervorgerufen, und dem
entsprechend bedeutet 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. 62-75 378/1987 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 eine ausreichende thermische
Toleranzspanne des Reaktors und eine Unversehrtheit des Brennstoffs
zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Brennstoffanordnung nach der
eingangs erwähnten EP 02 83 839 A2, bei welcher die innere
Querschnittsfläche des Kanalkastens in Richtung des Kühlmittelstroms
zunimmt, derart weiter auszubilden, daß der Kühlmittelfluß
verbessert und der thermische Toleranzbereich vergrößert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1.
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.
Unter Berücksichtigung der axialen Verteilung von Verformungs
kräften 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 Ausbildung der
Wanddicke des Kanalkastens brauchbar verwirklicht werden. Es
ist nämlich notwendig, den Kanalkasten an dem Ende,
an dem das Kühlmittel in den Kanalkasten eintritt, dicker
auszubilden, um Verformungskräften, die auch durch die starke Neutronenstrahlung
auf die Wand des Kanalkastens einwirken, entgegenzuwirken.
Die Wanddicke des Kanalkastens im oder nahe dem axial zen
tralen Teil kann bei Berücksichti
gung eines verminderten Innendruckes und einer im Vergleich zum Innendruck 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.
Im oberen Teil des Kanalkastens sind die Belastungen aufgrund
des Innendrucks und von Erdbeben und der Innendruck selbst ge
ring, so daß Kanalverformungskräfte im oberen Teil des
Kanalkastens kaum auftreten und es dementsprechend möglich wird,
die Wand des Kanalkastens an seinem oberen Ende dünn zu gestal
ten.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der oben beschrie
benen Studien und Prinzipien gemacht, und die angeführten Proble
me können durch die erfindungsgemäße Brennstoffanordnung gelöst
werden.
Vorteile 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 einer 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) Die Ausgangsleistung an der stromab
wärtigen Seite des Reaktorkerns ist 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.
Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele
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 ersten Ausführungsform
einer Brennstoffanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 3A bis 3D Darstellungen zur Beschreibung der Be
triebsweise der Brennstoffanordnung
gemäß Fig. 2;
Fig. 4 mit den Fig. 4A bis 4C Ansichten zur Beschreibung
der kombinierten Beanspruchung, die auf einen Kanal
kasten 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 zur Kühlmittelverteilung in einem Kanalkasten der ersten
Ausführungsform der Erfindung unter thermohydrau
lischen Bedingungen;
Fig. 6 Diagramme 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 die thermische, kritische Leistung in in Abhängigkeit
von der Kühlmittel-Massengeschwindig
keit zeigt;
Fig. 7 eine grafische Darstellung der relativen
Leistungsverteilung in axialer Richtung des
Kerns;
Fig. 8 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungs
form einer Brennstoffanordnung gemäß der Erfin
dung;
Fig. 9 einen Längsschnitt durch den Kanalkasten
der Brenn
stoffanordnung nach Fig. 8;
Fig. 10 Darstellungen zur Beschreibung der Betriebswei
se der Brennstoffanordnung der zweiten Ausfüh
rungsform, wobei Fig. 10A einen Teilquerschnitt
eines Eckteils der Brennstoffanordnung und
Fig. 10B eine grafische Darstellung des Ver
hältnisses zwischen der thermischen kritischen
Leistung und der Kühlmittel-Massengeschwindig
keit wiedergeben;
Fig. 11 einen Längsschnitt einer Brennstoffanordnung
einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12A eine Teilansicht eines Abstandhalters zur Ver
wendung bei der Brennstoffanordnung nach Fig. 11;
Fig. 12B eine Frontansicht gesehen in Richtung der Linien
B-B nach Fig. 12A;
Fig. 13 eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung,
wobei Fig. 13A einen Längsschnitt des Kanalka
stens, Fig. 13B bis 13D Querschnitte B-B bis D-D
nach Fig. 13A wiedergeben und Fig. 13E eine ver
größerte Ansicht des eingekreisten Teiles von
Fig. 13B darstellt;
Fig. 14 einen Längsschnitt eines Kanalkastens gemäß ei
ner fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 15 einen Kanalkasten gemäß einer sechsten Ausfüh
rungsform der Erfindung, wobei Fig. 15A und 15B
Längsschnitte eines Kanalkastens und die Fig.
15C bis 15E Querschnitte C-C bis E-E nach den
Fig. 15A und 15B sind;
Fig. 16 einen Längsschnitt einer Brennstoffanordnung
unter Verwendung des Kanalkastens nach Fig. 15;
Fig. 17 ein die Belastungsverteilung in Abhängigkeit vom
hydraulischen Druck des Kühlmittels in
dem Kanalkasten darstellendes Diagramm;
Fig. 18 bis 26 Querschnitte oder Draufsichten einer sieb
ten bis fünfzehnten Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 27A eine Teilansicht eines Eckteils eines her
kömmlichen Kanalkastens;
Fig. 27B und 27C Teilansichten ähnlich zu der in Fig.
27A gezeigten, jedoch gemäß vorliegender
Erfindung und
Fig. 28 bis 33 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 1a, 1b und 1c 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 Abstandanschläge 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 g1
wie in einem Spalt g zwischen den entsprechenden Unterkanälen
oder zwischen dem Spalt g und dem Wasserrohr 3 angesammelt.
Da der Spalt g2 zwischen den Eckteilen des Kanal
kastens 1 und den nahe daran angeordneten Brennstoffstäben 4
schmal gehalten ist, ist 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 g2 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 ΔP, 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
ΔP+δ, welche an dem Kanalkasten wirkt, durch die in Fig. 3D
gezeigten Kurven wiedergegeben.
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die auf den Kanalkasten aus
geübte Belastung durch Neutroneneinstrahlung
zuzüglich zu 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.
Die Kanalverformungskräfte werden durch die Druckdifferenz
zwischen der Innenseite und der Außenseite des Kanalkastens
sowie durch die Bestrahlung von Neutronen hervorgerufen, wobei
diese Kräfte in einem Bereich w in einem Abschnitt der
stromaufwärtigen Seite in dem Kanalkasten auftreten, wie in
Fig. 4B gezeigt, so daß die Dicke der Kanalkasten-Wand groß
sein muß 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 der Wirkung des Ka
nalkastens 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
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 bei der Brennstoffanordnung gemäß der Erfindung (gestrichelte Li
nienkurve) kleiner ist als bei einem herkömmlichen Kanalkasten
(ausgezogene Linie).
Fig. 6 beschreibt die Verteilung des Kühlmittels
in einer Brennstoffanordnung mit einem Kanalkasten
gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 6A gezeigt ist, fließt das
Kühlmittel, welches sich in der äußeren
Peripherie des Wasserrohres 3 konzentriert hat, in Richtung der Pfeile X,
wodurch die Konzentration des Kühlmittels
in dem Bereich um das Wasserrohr verringert wird. Das Kühl
mittel fließt wie durch die Pfeile Y dargestellt
zum äußersten Umfangsteil, wodurch die Fließgeschwindig
keit im dichten Teil abnimmt. 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 wird im Ver
gleich zu einem herkömmlichen Reaktor verbessert, was auch
in Fig. 6B durch die unterbrochene
und die ausgezogene Linie
dargestellt ist.
Da die Wandstärke des Kanalkastens gemäß der Erfindung stufenweise abnimmt,
nimmt der Multiplikations
faktor K∞ im oberen Bereich der Brennstoffanordnung zu.
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. 7 ge
zeigt.
Die erwähnten, verbesserten Effekte und Vorteile gemäß der
ersten Ausführungsform der Erfindung können auch bei einer re
gelmäßigen Anordnung der Brennstäbe 4 im Kanalkasten in neun
Reihen und 9 Spalten erreicht werden.
Fig. 8 zeigt eine Brennstoffanordnung gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung mit einem Aufbau, bei dem ein
großes quadratförmiges Wasserrohr 30 mit einer neun Brenn
stäben entsprechenden Dicke im Zentralteil des
Kanalkastens angeordnet ist und die Brenn
stäbe 4 im übrigen Raum des Kanalkastens regelmäßig
in neun Reihen und Spalten angeordnet sind.
Das Wasserrohr 30 besitzt einen dünneren Wandteil 30b, wie in
Fig. 9 zu sehen ist, 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 1a, 1b und 1c beschrieben ist, womit die Strö
mungsfläche im Kanalkasten 1 vergrößert wird.
Wie die Fig. 10A 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. 10B zeigt, kann dementsprechend
die thermische kritische Leistung des Reaktors mit einer Brennstoffanordnung gemäß der zwei
ten Ausführungsform (ausgezogene Linie) im Vergleich mit der
herkömmlichen Technik (gestrichelte Linie) verbessert werden.
Der Multiplikationsfaktor K∞ steigt im wesentlichen
linear im Zusammenhang mit einem vergrößerten Flußbereich des Kühlmittels
an, so daß der Betriebszyklus bei der
Brennstoffanordnung gemäß der 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
vergleichbar der gestrichelten Linie in Fig. 8 flach gehalten werden.
Die Fig. 11 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. 12
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. 13 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 Abstandhalter 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 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 11a 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. 14 ist eine Darstellung eines Längsschnittes
einer fünften Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welcher
der Wandaufbau des Kanalkastens 14 zwei abgestufte Teile 14a
und 14b 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 14a 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 14b der Wand des Kanalkastens.
Fig. 15 zeigt die sechste Ausführungsform 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. 15E zeigt. Fig. 16 ist eine Seitenansicht eines Längs
schnittes einer Brennstoffanordnung, welche den in Fig. 15
gezeigten Kanalkasten verwendet, dessen Dicke stufenweise ver
ringert ist, wie das in den Fig. 15A und 15B durch die Bereiche
16a, 16b und 16c 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. 16
bezeichnen die Bezugszeichen 17, 18 und 19 die Brennstoff
bündel 17, die Abstandhalter 18 und die Anschlagelemente 19.
Fig. 17 ist ein kombiniertes Diagramm, welches die Belastungs
verteilung auf Grund des inneren Druckes des Kühlmittels
in dem Kanalkasten beschreibt. Unter Bezugnahme auf die gra
fische Darstellung der Fig. 17 werden die Belastungsvertei
lungen durch 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 Kanalkastens bringt.
Fig. 18 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung ei
ner siebten Ausführungsform 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 Bereiche (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 den Kühlmitteldurchfluß zu steigern, kann
die Außenfläche des rechteckigen Wasserrohrs gemäß Fig. 10
abgetragen werden.
Mit der Anordnung dieser Brennstoffeinheit ist das Kühlmit
tel in den weiten Spaltbereichen g zwischen den Unterkanä
len konzentriert. Bei dem Kanal
kasten dieser Ausführungsform wird die Dicke der Wand
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. 19 bis 26 verringert sich die Dicke des Wandaufbaus eben
so stufenweise von der stromaufwärtigen Seite, d.h. des unte
ren Teils, zu der stromabwärtigen Seite, das ist der obere Teil,
des Kanalkastens, was im folgenden nicht ausdrücklich erwähnt
wird.
Fig. 21 ist eine Draufsicht auf die achte Ausführungsform
der Erfindung, bei der Brennstoffstäbe 21 von den Eckberei
chen des Kanalkastens zu Bereichen verlagert sind, welche ge
genüber der Seitenflächen des Wasserrohrs 25 lie
gen, das zentral in dem Kanalkasten 24 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 angeordnet 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, wodurch die Dicke der Wand
des Kanalkastens reduziert werden kann.
Fig. 20 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
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 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 g3, 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 g2 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. 21 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 g1 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 g2, welche zwischen den äußeren Eckteilen der Unterbün
del und dem Kanalkasten 20 liegen. Dieser Mangel kann je
doch merklich dadurch verbessert werden, daß der Kanal
kasten mit stufenweise reduzierter Wandstärke vorge
sehen wird.
Fig. 22 ist eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform
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 g2 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. 23 zeigt eine Draufsicht auf eine Brennstoff
anordnung einer zwölften Ausführungsform 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 g2 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. 24 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung
einer dreizehnten Ausführungsform 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 stufenweises Abtragen der inneren Fläche des
Kanalkastens 20 verbessert werden, womit der Kühlmittelfluß
nahe der Innenfläche im Kanalkasten 20 verbessert wird.
Fig. 25 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung
einer vierzehnten Ausführungsform 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 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.
Durch den Aufbau einer Brennstoffanordnung gemäß dieser fünfzehn
ten Ausführungsform kann ein gleichmäßiger Fluß des Kühlmit
tels 28a in dem Bereich zwischen dem Eck-Brennstab 4a 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. 27
beschrieben.
In Fig. 27A 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 4a in Fig. 29A weggelassen wird, besteht die Möglichkeit,
den Krümmungsradius der Innenfläche des Eckteils
des Kanalkastens von R0mm zu R1mm (R0<R1) gemäß Fig. 29B zu vergrößern.
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.
Zusätzlich können diese vorteilhaften Effekte weiter
hin verbessert werden durch Abschrägen der Eckbereiche des
Kanalkastens, wie in der Fig. 29C gezeigt ist.
Fig. 28 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung
einer sechzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei
welcher die oben beschriebene Technik berücksichtigt ist.
Nach Fig. 28 besitzt die Brennstoffanordnung dieser Ausfüh
rungsform einen Kanalkasten 40 mit einer gleichmäßigen äußeren
Form, bei welcher ein großes Wasserrohr 27 im
wesentlichen zentral im Kanalkasten 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 21a, welche an den 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 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 27, 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 21a, nahe
dem äußeren Umfang des Wasserrohres 27 leicht ausgeführt
werden kann, womit die Verringerung des Brennstoffinventars
vermieden ist. Die Lage der Brennstäbe 21a 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. 29 ist eine Draufsicht der siebzehnten Ausführungsform
gemäß der Erfindung, welche sich lediglich in dem Punkt von
der Ausführungsform nach Fig. 28 unterscheidet, daß die Außenwände
der Eckbereiche des Kanalkastens abgeschrägt sind
und demgemäß gleiche Bezugszeichen den Elementen entsprechend
denjenigen der Fig. 28 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. 29 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. 30 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffanordnung ei
ner achzehnten Ausführungsform 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 21a 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. 31 ist eine Draufsicht einer Brennstoffanordnung einer
neunzehnten Ausführungsform 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 Keff
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. 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. 32 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. 33 ist 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.
Claims (8)
1. Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor, die von
einem Kühlmittel durchströmt wird, mit einem Brennstoffbündel
aus einer Mehrzahl von unter Verwendung von Abstandhaltern
regelmäßig angeordneten Brennstäben und mit einem den
Außenumfang des Brennstoffbündels umgebenden Kanalkasten, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Kanalkastens (1) in Richtung
des Kühlmittelstroms gesehen stufenweise abnimmt, derart,
daß die innere Querschnittsfläche des Kanalkastens in
Richtung des Kühlmittelstroms gesehen stufenweise zunimmt und daß Anschläge (2; 9) vorgesehen sind, die einen Abstand zwischen den Abstandhaltern
(5; 8) und der inneren Oberfläche der Kanalkastenwand
aufrechterhalten.
2. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand des Kanalkastens (1) eine
axiale Gesamtlänge L aufweist und in einen unteren Teil (1a) mit
einer axialen Länge von 1/4 bis 1/3 der Gesamtlänge L, einen
dazwischenliegenden Teil (1b) und einen oberen Teil (1c) mit einer axialen Länge von
mindestens 1/4 der Gesamtlänge L aufgeteilt ist und der untere
Teil (1a) eine Wanddicke aufweist, die größer als die des dazwischenliegenden
Teils (1b) ist, und der obere Teil (1c) eine
Wanddicke aufweist, die geringer ist als die des dazwischenliegenden
Teils (1b).
3. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kanalkasten (1) an seinen
Ecken derart abgerundet ist, daß im Kanalkasten-Inneren kein Raum
für Eck-Brennstäbe (4a) verbleibt (Fig. 29B).
4. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kanalkasten (1) an seinen
Ecken derart abgeschrägt ist, daß im Kanalkasten-Inneren kein Raum
für Eck-Brennstäbe (4a) verbleibt. (Fig 29C)
5. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (2) an der
inneren Oberfläche der Kanalkastenwand angebracht sind, und zwar
im dazwischenliegenden oberen Teil (1b, 1c) des Kanalkastens
(1).
6. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (9) an der
äußeren Umfangsfläche der Abstandhalter (8) angebracht sind, und
zwar im dazwischenliegenden oberen Teil (1b, 1c) des Kanalkastens
(1).
7. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß in die Innenfläche des
Kanalkastens (1) axiale Nuten (12) zum Einsetzen der Anschläge (9)
eingeformt sind, und zwar im Bereich größerer und mittlerer Wandstärke
des Kanalkastens (Fig. 15E).
8. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß im Brennstoffbündel ein
Wasserrohr (3) verläuft, dessen Durchmesser in Richtung des Kühlmittelstroms abnimmt.
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