DE4100667C2 - Brennstoffkassette - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffkassette bzw. BSK, die insbesondere zum Einsatz in Siedewasserreaktoren (SWR) geeignet ist.

Eine konventionelle BSK zum Einsatz in SWR umfaßt gemäß JP-A- 60-120 282 eine obere Gitterplatte 3, eine untere Gitter­ platte 4, eine Vielzahl von Brennstäben 6, die durch die obere und die untere Gitterplatte an ihren entgegengesetzten Enden in Bündelform fest gehalten sind, einen Brennelement­ kasten 1, der die gebündelten Brennstäbe umgibt, und eine an der unteren Gitterplatte befestigte Fingerfeder. Die Fin­ gerfeder hat die Funktion, den Austritt von Kühlwasser durch einen Zwischenraum zwischen dem Brennelementkasten und der unteren Gitterplatte zu verhindern. Eine Kraftkomponente der Fingerfeder wirkt jedoch auf den Brennelementkasten und drückt ihn nach außen. Diese Kraft beschleunigt eine Kriechverformung des Brennelementkastens an seinem unteren Endteil und spreizt außerdem einen unteren Teil des Brennele­ mentkastens nach außen.

Bei einer BSK entsprechend JP-A-54-124 183 ist ebenso wie in JP-A-60-120 282 eine Leckverhinderungsplatte 16 (entsprechend der Fingerfeder) aus einem federnden Werkstoff, die an einer unteren Gitterplatte 3, 13 befestigt ist, in Kontakt mit einem Brennelementkasten 4, 14 gehalten, um einen Austritt von Kühlwasser durch einen Zwischenraum zwischen dem Brenn­ elementkasten und der unteren Gitterplatte zu verhindern. Bei dieser BSK ergibt sich das gleiche Problem wie in JP-A-60-120 282.

Mit dem Ziel der Unterdrückung einer solchen Kriechverformung des Brennelementkastens an seinem unteren Endteil beschreibt JP-A-61-170 692 eine Konstruktion, bei der keine Fingerfeder verwendet wird. Bei dieser Konstruktion ist, wie Fig. 7 der Veröffentlichung zeigt, eine nach innen geneigte Stufe an der Außenumfangsfläche einer unteren Gitterplatte 2 vorgesehen, und ein Brennelementkasten 4 liegt auf der Stufe auf. Der Brennelementkasten steht mit der unteren Gitterplatte ständig durch die Schwerkraft bzw. sein Eigengewicht in innigem Kon­ takt, um dadurch einen Kühlwasseraustritt aus dem Brennele­ mentkasten zu verhindern. Da der Brennelementkasten auf der nach innen geneigten Stufe sitzt, wird ferner eine nach innen gerichtete Kraftkomponente erzeugt, die auf den unteren Endteil des Brennelementkastens wirkt und eine Verformung des unteren Endteils nach außen unterdrückt.

Anders ausgedrückt besteht bei jeder BSK mit Fingerfedern, wie sie in JP-A-60-120 282 und JP-A-54-124 183 beschrieben sind, das Problem, daß die nach außen wirkende Kraft der Fin­ gerfeder eine Ausdehnung des Brennelementkastens an seinem unteren Endteil infolge von Kriechen beschleunigt und eine Verformung des Brennelementkastens verstärkt.

Andererseits besteht bei der BSK ohne Fingerfeder entspre­ chend JP-A-61-170 692 dadurch, daß das untere Ende des Brenn­ elementkastens und die untere Gitterplatte ständig in engem Kontakt miteinander stehen, die Gefahr, daß der untere Endteil des Brennelementkastens mit einer nach außen gerichteten Kraft aufgrund der Druckdifferenz zwi­ schen dem Inneren und dem Äußeren des Brennelementkastens beaufschlagt wird, was zu beschleunigtem Kriechen führt. Da sich der untere Endteil des Brennelementkastens nach außen aufspreizen muß, erhöht sich zwangsläufig die aus­ tretende Kühlwassermenge proportional dazu.

Um die Leckrate des Kühlwassers durch den Zwischenraum zwischen dem Brennelementkasten und der unteren Gitter­ platte zu unterdrücken, wurde in einer früheren Anmeldung (US-Patentanmeldung Serial-Nr. 464 151 vom 12. 1. 1990 bzw. EP-Patentanmeldung Nr. 90300272.3 vom 10. 1. 1990 veröffentlicht als EP 378 384 A2) bereits vorgeschlagen, in diesem Zwischenraum ohne Anwen­ dung einer Fingerfeder eine Venturi-Einrichtung zu bilden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Brenn­ stoffkassette, die den Kühlwasserleckstrom durch einen Zwischenraum zwischen einem Brennelementkasten und einer unteren Gitterplatte sowie Schwingungen des Brennelement­ kastens unterdrücken kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unteransprüche sind auf Merkmale be­ vorzugter Ausführungsbeispiele gerichtet.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile anhand der Beschreibung von Aus­ führungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine BSK gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der unteren Gitterplatte von Fig. 8;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Druckverteilung in einem Kühlwasserkanal in Höhenrichtung zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm der Verteilung der elastischen Verfor­ mung des Brennelementkastens, beginnend vom oberen Ende der unteren Gitterplatte, in der BSK von Fig. 8;

Fig. 5 ein Diagramm von Änderungen der Kühlwasserleckrate gegenüber dem Abbrandgrad während der Arbeitsperi­ ode eines Reaktors mit der BSK von Fig. 8;

Fig. 6 ein Schema zur Erläuterung eines der Faktoren, die zu Schwingungen des Brennelementkastens in der BSK von Fig. 8 führen;

Fig. 7A, 7B, 7C schematische Darstellungen zur Erläuterung eines weiteren Faktors, der zu Schwingungen des Brennele­ mentkastens in der BSK von Fig. 8 führt, wobei Fig. 7A ein Schnitt VIIA-VIIA in Fig. 7B und Fig. 7C ein Schnitt VIIC-VIIC in Fig. 7B ist;

Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch eine BSK im Bereich einer unteren Gitterplatte (Schnitt entlang der Linie I-I von Fig. 2) gemäß einer früheren Anmel­ dung (US-Patentanmeldung Serial-Nr. 464 151 vom 12. 1. 1990, EP-Patentanmeldung Nr. 90300272.3 vom 10. 1. 1990), auf die die vorliegende Anmeldung Bezug nimmt;

Fig. 9 eine vergrößerte Perspektivansicht eines Teils der BSK mit einer unteren Gitterplatte gemäß Fig. 1;

Fig. 10 eine Draufsicht von oben auf die untere Gitter­ platte von Fig. 1;

Fig. 11 einen Schnitt XI-XI von Fig. 10;

Fig. 12 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch einen eine Ausnehmung aufweisenden Teil der unteren Gitter­ platte;

Fig. 13 einen Querschnitt I-I von Fig. 1 der unteren Gitter­ platte der BSK gemäß dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 14 ein Diagramm, das die Verteilung der Kühlwasser­ strömungsrate an der Oberfläche der unteren Gitter­ platte zeigt;

Fig. 15 ein Diagramm, das die Verteilung des statischen Drucks in einem Kühlwasserkanal 17 von Fig. 12 zeigt;

Fig. 16 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch das Un­ terende des Brennelementkastens und des benach­ barten Bereichs in der BSK, die in einen Reaktor­ kern eingebracht ist;

Fig. 17 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen a/Lo, das ein Wert ist, der die relative Lagebeziehung des Unterendes des Brennelementkastens und des Oberen­ des der unteren Gitterplatte betrifft, und dem Kühlwasserleckstrom zeigt;

Fig. 18, 26, 30 jeweils eine vergrößerte Perspektivansicht eines Teils einer BSK mit einer unteren Gitterplatte gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 19 einen Querschnitt der unteren Gitterplatte von Fig. 18;

Fig. 20A und 20B Seitenansichten von zwei Seitenflächen der unteren Gitterplatte von Fig. 18, die mit einer Ecke dazwischen aneinandergrenzen;

Fig. 21 ein Diagramm der Beziehung der Druckdifferenz zwi­ schen der Innenseite und der Außenseite des Brenn­ elementkastens in bezug auf den Kühlwasserleck­ strom;

Fig. 22 ein Diagramm von Änderungen der Kühlwasserleckrate gegenüber dem Abbrandgrad während des Arbeitszyklus eines Reaktors;

Fig. 23A und 23B Diagramme einer Auswirkung, die durch eine Kombina­ tion des Strahlstromeffekts und des Venturi-Effekts in der BSK von Fig. 8 erreicht wird;

Fig. 24A ein Diagramm, das die Durchbiegung eines Balkens zeigt, wenn eine gleichmäßig verteilte Last auf einen Balken einer Länge L aufgebracht wird;

Fig. 24B ein Diagramm der Beziehung zwischen der maximalen Durchbiegung des Brennelementkastens und einem Lastbereich;

Fig. 25A eine schematische Seitenansicht der Gitterplatte mit Aussparung;

Fig. 25B ein Diagramm der Beziehung zwischen der Breite einer Aussparung, die eine Venturi-Einrichtung darstellt, und dem Kühlwasserleckstrom;

Fig. 27 einen Querschnitt der unteren Gitterplatte von Fig. 26;

Fig. 28 einen Querschnitt einer unteren Gitterplatte einer BSK gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 29A und 29B den Aufbau eines Teils einer unteren Gitterplatte und des benachbarten Bereichs einer BSK gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 29A ein Schnitt 29A-29A nach Fig. 29B und Fig. 29B ein Schnitt 29B-29B nach Fig. 29A ist;

Fig. 31 eine Seitenansicht der unteren Gitterplatte von Fig. 30;

Fig. 32 eine Schnittansicht 32-32 nach Fig. 31;

Fig. 33A einen Vertikalschnitt 33A-33A nach Fig. 32 durch die untere Gitterplatte und den Brennelementkasten;

Fig. 33B ein Diagramm der Verteilung des statischen Drucks entsprechend Fig. 33A in einem Kühlwasserkanal von Fig. 30; und

Fig. 34, 35, 36, 37, 38 und 39 Seitenansichten jeweiliger unterer Gitterplatten, die in Brennstoffkassetten gemäß weiteren Aus­ führungsbeispielen der Erfindung angeordnet sind.

Die Erfindung basiert auf den folgenden Untersuchungsergeb­ nissen.

Die eingangs genannten Anmeldungen (US-Patentanmeldung Serial-Nr. 464 171; EP-Patentanmeldung Nr. 9-300272.3), mit denen die vorliegende Anmeldung verwandt ist, schlagen eine BSK 1 mit der in Fig. 8 gezeigten unteren Konstruktion vor. Fig. 8 zeigt einen Teil einer unteren Gitterplatte 4A der BSK 1, die einem Brennelementkasten 8 zugewandt ist. Die BSK 1 wird in einem Siedewasserreaktor verwendet. Die untere Git­ terplatte 4A ist, von oben gesehen, quadratisch und hat an jeder äußeren Seitenfläche 41A eine Aussparung 12. Die Aus­ sparung 12 ist rechteckig, und öffnet sich nach außen. Die Aussparung 12 hat ferner eine schräge Fläche 13 in ihrem oberen Teil, die unter einem Winkel Θ geneigt ist. Das Oberende der schrägen Fläche 13 ist um einen Abstand a von der Oberfläche der unteren Gitterplatte 4A beabstandet. Ein Teil der äußeren Seitenfläche 41A, der den Bereich a überdeckt, ist eine zur Oberfläche der unteren Gitterplatte 4A senkrechte ebene Fläche mit Ausnahme einer abgeschrägten Ecke am oberen Ende. Eine vertiefte Bodenfläche 12A der Aus­ sparung 12 ist mit der schrägen Fläche 13 verbunden und bildet eine ebene Fläche, die in einer Tiefe h gegenüber dem Teil der äußeren Seitenfläche 41A im Bereich a positioniert ist. Der Brennelementkasten 8 umgibt einen oberen Teil der unteren Gitterplatte 4A und überdeckt einen Teil der Aus­ sparung 12, wie Fig. 8 zeigt.

Ein Kühlwasserkanal 17 mit Zwischenräumen 14-16 ist gemäß Fig. 8 durch die äußere Seitenfläche 41A einschließlich der Aussparung 12 in der unteren Gitterplatte 4A und die Innen­ fläche des Brennelementkastens 8 definiert. Der Kühlwasser­ kanal 17 hat einen Strömungsquerschnitt, der am Zwischenraum 14 klein ist, allmählich vom Zwischenraum 15 zum Zwischenraum 16 größer wird und am Zwischenraum 16 maximal ist. Ein Kühl­ wasserkanal 11 über dem Zwischenraum 14 hat einen großen Strömungsquerschnitt. Man kann daher sagen, daß die äußere Seitenfläche 41A, die schräge Fläche 13 und die Bodenfläche 12A gemeinsam mit der Innenfläche des Brennelementkastens 8 gegenüber diesen Flächen eine Venturi-Einrichtung bilden. Die Venturi-Einrichtung ist somit im Kühlwasserkanal 17 vorgese­ hen. Im Betrieb eines Reaktors läßt man einen Teil des Kühl­ wassers, das durch die untere Gitterplatte 4A in den Kühl­ wasserkanal 11 über der unteren Gitterplatte 4A strömt, aus dem Brennelementkasten 8 durch den Kühlwasserkanal 17 aus­ strömen. Im Kühlwasserkanal 17 strömt das Kühlwasser daher mit hoher Geschwindigkeit am Zwischenraum 14 mit dem kleinen Strömungsquerschnitt, und der statische Druck nimmt gegenüber demjenigen im Kühlwasserkanal 11 ab. Insbesondere ist der statische Druck am unteren Ende des Zwischenraums 14 (d. h. am Beginn der schrägen Fläche 13) minimiert. Infolgedessen wird der Druck P₁ im Inneren des Brennelementkastens 8 niedriger als der Druck P₂ außerhalb des Brennelementkastens 8, so daß die Druckdifferenz ΔP (= P₁ - P₂) zu einem Unter­ druck führt. Mit anderen Worten wird also der Druck, der den Brennelementkasten 8 nach innen drückt, größer als der den Brennelementkasten 8 nach außen drückende Druck (d. h. die Kraft, die zur Aufweitung des Brennelementkastens 8 ten­ diert). Der Druck wird in dem Kanal am Zwischenraum 15 allmählich wiederhergestellt, und am unteren Ende des Zwi­ schenraums 16 (d. h. am unteren Ende des Brennelementkastens 8) nimmt die Druckdifferenz ΔP zwischen der Innen- und der Außenseite des Brennelementkastens 8 auf Null ab.

Mit der zu einem Unterdruck führenden Druckdifferenz P wird der Brennelementkasten 8 in Richtung zur äußeren Seitenfläche 41A der unteren Gitterplatte 4A angezogen. Daher wird eine nach außen gerichtete Verformung des Brennelementkastens 8 an seinem unteren Endabschnitt (d. h. eine Verformung, die die Tendenz hat, den Kühlwasserleckstrom zu erhöhen, der zum Äußeren des Brennelementkastens 8 durch den Kühlwasserkanal 17 austritt) ganz erheblich unterdrückt, wodurch die Verfor­ mung nach außen weitgehend verringert wird. Es ist daher möglich, den Kühlwasserleckstrom während des gesamten Ar­ beitszyklus des Reaktors erheblich zu verringern.

Die oben genannte negative Druckdifferenz ΔP resultiert durch Nutzung des Venturi-Effekts entsprechend der folgenden Gleichung (1):

Ps = Po - ρv²/2g (1)

wobei Po der Gesamtdruck des durch den Kühlwasserkanal 17 strömenden Kühlwassers, Ps der statische Druck des Kühlwassers und ρv²/2g der dynamische Druck des Kühlwassers ist.

Die Auswirkung der erwähnten Venturi-Einrichtung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 näher erläutert.

Fig. 3 zeigt die Verteilung des Gesamtdrucks Po und des statischen Drucks Ps innerhalb des Kühlwasserkanals 17 in der Zone unter dem oberen Ende der unteren Gitterplatte 4A, und Fig. 4 zeigt die elastische Verformung des Brennelementka­ stens 8 in der Zone unter dem oberen Ende der unteren Gitter­ platte 4A. Dabei bezeichnen Strichlinien Charakteristiken der BSK 1 von Fig. 1, und Vollinien bezeichnen Charakteristiken einer konventionellen BSK A (die ein konventionelles Beispiel der BSK 1 ist und nachstehend als Stand der Technik A be­ zeichnet wird), die eine untere Gitterplatte aufweist, deren den Brennelementkasten 8 überlappende äußere Seitenfläche 41A gerade Form ohne eine Aussparung 12 hat. Zusätzlich hat die untere Gitterplatte der BSK des Standes der Technik A weder die Aussparung 12 noch Kühlwasserzufuhröffnungen (bzw. -löcher) 18 im Gegensatz zu einer unteren Gitterplatte 4 einer noch zu beschreibenden BSK 1A, sondern hat für Kühlwasserzuführöffnungen 21-23 den gleichen Strömungsquer­ schnitt. Es ist zu beachten, daß die Ordinate der Fig. 3 und 4 einen Abstand vom oberen Ende der unteren Gitterplatte 4A bezeichnet und daß der Pfeil AR in Fig. 3 das Niveau des Un­ terendes des Brennelementkastens 8 bezeichnet. In Fig. 3 bezeichnet "0" bei der Druckverteilung den vorgenannten Druck P₂.

Beim Stand der Technik A entsprechend der Vollinie in Fig. 3 wirkt die Kraft, die dazu tendiert, den Brennelementkasten 8 nach außen zu verformen (also der statische Druck Ps, der größer als der Druck P₂ ist, d. h. der positive statische Druck Ps), auf einen Teil des Brennelementkastens 8 unter dem oberen Ende der unteren Gitterplatte 4A. In der BSK 1 hat gemäß der Strichlinie in Fig. 3 die Venturi-Einrichtung die Funktion, die den Brennelementkasten 8 in Richtung der un­ teren Gitterplatte 4A drückende Kraft größer als die den Brennelementkasten 8 nach außen drückende Kraft zu machen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die den Brennelementka­ sten 8 zur unteren Gitterplatte 4A anziehende Kraft (der statische Druck Ps, der kleiner als der Druck P₂ ist, d. h. der negative statische Druck Ps) in dem Kühlwasserkanal 17 erzeugt wird. Daher unterliegt gemäß Fig. 4 die BSK 1 einer nach außen gerichteten Verformung des Brennelementkastens 8, die geringer als beim Stand der Technik A ist. Es ist zu beachten, daß in funktioneller Hinsicht die Venturi-Einrich­ tung als Einrichtung zur Erzeugung einer Kraft dient, die den Brennelementkasten in Richtung zur unteren Gitterplatte anzieht.

Die Auswirkung der Venturi-Einrichtung, d. h. eine Ver­ ringerung des Kühlwasserleckstroms in der BSK 1, wird nach­ stehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Fig. 5 zeigt diese Auswirkung in bezug auf den Abbrandgrad (bzw. Verbren­ nungsgrad) während des Arbeitszyklus eines Reaktors. Beim Stand der Technik A nimmt wegen einer Kriechverformung des Brennelementkastens infolge des auf die Innenfläche wirkenden statischen Drucks des Kühlwassers der Kühlwasserleckstrom durch den Zwischenraum zwischen der unteren Gitterplatte und dem Brennelementkasten mit zunehmendem Abbrandgrad zu, wie die Vollinie in Fig. 5 zeigt. Bei der BSK 1 ist der Kühlwasserleckstrom durch die Wirkung der Venturi-Einrichtung gegenüber dem Stand der Technik A erheblich reduziert, wie die Strichlinie zeigt.

Ein Strömungsexperiment wurde durchgeführt, indem man Kühlwasser durch die BSK 1, die die vorstehend beschriebene Venturi-Einrichtung aufwies, strömen ließ. Als Ergebnis des Strömungsexperiments wurde ein neues Phänomen entdeckt, und zwar, daß der Brennelementkasten 8 der BSK 1 Schwingungen erzeugt. Solche Schwingungen des Brennelementkastens 8 können zur Gefahr einer Beschädigung oder eines Bruchs des Brennele­ mentkastens aufgrund von Ermüdung und Kollision mit weiteren Konstruktionselementen wie etwa der unteren Gitterplatte im Gebrauch führen.

Als Ergebnis der Untersuchung der Ursachen für die Erzeugung von Schwingungen des Brennelementkastens im Fall des Vorhan­ denseins der Venturi-Einrichtung in der BSK wurden folgende Tatsachen festgestellt. Es gibt zwei Ursachen für die Erzeu­ gung von Schwingungen, und zwar erstens Schwankungen in dem zwischen dem Brennelementkasten und der äußeren Seitenfläche der unteren Gitterplatte gegenüber dem Brennelementkasten entwickelten Venturi-Effekt und zweitens das Einsaugen oder Mitreißen von Kühlwasser durch das Unterende des Brennelementkastens. Die Schwingungen des Brennelementkastens können durch Beseitigung einer dieser Ursachen verhindert werden.

Die erste Ursache für die Erzeugung von Schwingungen wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert. Der Einfachheit halber erfolgt diese Beschreibung unter Bezugnahme auf eine Schwingung des Brennelementkastens 8 in Richtung des Pfeils AR₁ von Fig. 6. Der Pfeil AR₁ verläuft senkrecht zu zwei äußeren Seitenflächen der unteren Gitterplatte 4A, die zueinander entgegengesetzt sind. Im Betrieb des Reaktors wird der Brennelementkasten 8 derart verformt, daß sich vier Seiten an ihren Mittenabschnitten entsprechend Fig. 6 nach außen wölben. Unter Berücksichtigung der genannten Verformung nach außen ist der Brennelementkasten 8 ursprünglich an den Mittenabschnitten der vier Seiten konkav einwärts gewölbt. Der Brennelementkasten gemäß dem Stand der Technik A wird je­ doch in einem die Darstellung von Fig. 6 erheblich über­ steigenden Maß nach außen gewölbt. Es sei nun angenommen, daß der Zwischenraum zwischen der äußeren Seitenfläche 41A₁ und dem Brennelementkasten 8 eine Breite ε₁ und der Zwischenraum zwischen der äußeren Seitenfläche 41A₂ und dem Brennelement­ kasten 8 eine Breite ε₂ hat. Die Zwischenraumbreiten ε₁ und ε₂ können voneinander verschieden sein aufgrund eines Befe­ stigungszustands des Brennelementkastens 8 an einer oberen Gitterplatte als Teil der BSK, der Bearbeitungspräzision des Brennelementkastens 8 (Länge ca. 4 m) und weiterer Faktoren. Da das Unterende des Brennelementkastens 8 ein freies Ende ist, ist die Wahrscheinlichkeit, daß beide Zwischenraum­ breiten ε₁ und ε₂ gleich werden, gering. Dabei soll der Fall von ε₁ < ε₂ betrachtet werden. Der Druckverlust-Koeffizient eines Kühlwasserkanals 17B mit der großen Zwischenraumbreite ist größer als der eines Kühlwasserkanals 17A mit der kleinen Zwischenraumbreite. Dies bedeutet, daß die Strömungs­ geschwindigkeit von Kühlwasser in dem Kühlwasserkanal 17B höher als in dem Kühlwasserkanal 17A mit der kleineren Zwi­ schenraumbreite ε₁ ist. Die Größe des Unterdrucks (d. h. der Differenz zwischen dem statischen Druck Ps₁ und dem Druck P₂) entsprechend dem kleinsten statischen Druck Ps₁ (Fig. 3), der von der im Kühlwasserkanal 17B vorgesehenen Venturi-Einrich­ tung erzeugt wird, wird größer als die dem kleinsten stati­ schen Druck Ps₁, der im Kühlwasserkanal 17A durch die dortige Venturi-Einrichtung erzeugt wird, entsprechende Größe. Somit tritt eine Differenz zwischen den Kräften auf, die den Brennelementkasten 8 in Richtung zu den äußeren Seitenflächen 41A₁ und 41A₂ anziehen, wodurch das Unterende des Brennele­ mentkastens 8 vollständig in Richtung des Pfeils AR₂ bewegt wird. Dies führt zu der Beziehung ε₁ < ε₂. Im Fall von ε₁ < ε₂ entwickelt sich in den Kühlwasserkanälen 17A und 17B das gleiche Phänomen umgekehrt zu dem obigen im Fall von ε₁ < ε₂, so daß sich das untere Ende des Brennelementkastens 8 vollständig in Richtung des Pfeils AR₃ bewegt. Diese Er­ scheinungen wiederholen sich abwechselnd, so daß das untere Ende des Brennelementkastens 8 vollständig in Richtung des Pfeils AR₁ schwingt. Eine solche Schwingung kann auch zwi­ schen den äußeren Seitenflächen 41A₃ und 41A₄, d. h. in Rich­ tung des Pfeils AR₄, erzeugt werden. Wenn die Schwingungen in die Richtungen der Pfeile AR₁ und AR₄ gleichzeitig erzeugt werden, wird das gesamte Unterende des Brennelementkastens 8 in noch komplexerer Weise bewegt.

Die zweite Ursache für die Erzeugung von Schwingungen wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7A-7C erläutert. Auch bei einem Kühlwasserkanal 17B besteht eine Verschiedenheit in der Breite des Zwischenraums zwischen der äußeren Seitenfläche 41A₂ und dem Brennelementkasten 8. Entlang einem Querschnitt ist die Zwischenraumbreite in einem Mittenabschnitt der Aus­ sparung 12 größer und an beiden Seitenabschnitten der Aus­ sparung 12 kleiner (Fig. 7A). Die Strömungsgeschwindigkeit von in die Aussparung 12 von oben einströmendem Kühlwasser ist im Mittenabschnitt der Aussparung 12 mit der größeren Zwischenraumbreite höher als in den Seitenabschnitten. Der Venturi-Effekt wird am Mittenabschnitt der Aussparung 12, wo das Kühlwasser mit höherer Geschwindigkeit strömt, verstärkt. Dies führt zur Erzeugung von Kühlwasserströmen FL (Fig. 7B) innerhalb der Aussparung 12, die von beiden Seitenabschnitten der Aussparung 12, wo sich der größere negative Druckwert ausbildet, zum Mittenabschnitt der Aussparung 12 führt, wo sich der kleinere negative Druckwert ausbildet. In beiden Seitenabschnitten der Aussparung 12 wird daher der statische Druck Ps niedriger als der Druck P₂, d. h. ein Unterdruck. Infolgedessen wird das Kühlwasser außerhalb des Brennele­ mentkastens 8 in den Kühlwasserkanal 17B von unterhalb des Unterendes des Brennelementkastens 8 an beiden Seitenab­ schnitten der Aussparung 12 angesaugt. FL₁ in den Fig. 7B und 7C bezeichnet einen solchen Einsaugstrom. Beim Einströmen des Einsaugstroms FL₁ wird am unteren Endabschnitt des Kühlwasserkanals 17B ein Wirbelstrom U erzeugt, der einen Kühlwasserstrom an unteren Endabschnitt des Kühlwasserkanals 17B instabil macht. Infolgedessen wird die dem Brennelement­ kasten 8 gegenüberstehende Seitenwand des Kühlwasserkanals 17B mit hoher Frequenz zum Schwingen veranlaßt. Eine solche Erscheinung tritt auch in den übrigen Kühlwasserkanälen 17A, 17C und 17D auf.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, die die Ursachen für die Erzeugung von Schwingungen des Brennelement­ kastens beseitigen und für Siedewasserreaktoren bestimmt sind.

Gemäß den Fig. 1 und 9 umfaßt eine BSK 1A gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine obere Gitterplatte 2, eine untere Git­ terplatte 4, eine Vielzahl von Brennstäben 5, ein Wasser­ rohr 6 und eine Vielzahl von Abstandshaltern 7. Entsprechende entgegengesetzte Enden der Brennstäbe 5 und des Wasserrohrs 6 sind von der oberen Gitterplatte 2 und der unteren Gitterplatte 4 fest gehalten. Die beiden Gitter­ platten 2, 4 sind miteinander durch eine Zugstange (nicht gezeigt) verbunden. Die Brennstäbe 5 sind von jedem Ab­ standshalter 7 in einer horizontalen Platte abgestützt. Daher ist zwischen jeweils zwei benachbarten Brennstäben 5 ein Kühlwasserkanal 11 vorbestimmter Breite definiert.

In der BSK 1A gemäß Fig. 1 der JP-A-62-217 186 sind die Brennstäbe 5 in Form einer Matrix mit neun Reihen und neun Spalten angeordnet, wobei zwei durchmessergroße Wasserstäbe in der Mitte positioniert sind. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die beiden durchmessergroßen Wasserstäbe mit einem Zwischenraum zwischen sich entsprechend Fig. 7 von JP- A-62-217 186 angeordnet.

Der Brennelementkasten 8 ist ein rohrförmiges Teil mit quadratischem Querschnitt und ist an Eckstäben 3 der oberen Gitterplatte 2 mittels Schrauben 10 befestigt, die an einer Kastenbefestigungseinrichtung 9 vorgesehen sind. Das untere Ende des Brennelementkastens 8 ist ein freies Ende. Der Brennelementkasten 8 umschließt ein Bündel der Brennstäbe 5, die durch die Abstandshalter 7 zusammengehalten sind.

Die untere Gitterplatte 4 hat als Brennstabhalteteil ein Git­ ter 40, eine im Querschnitt quadratische rohrförmige Seiten­ wand 41, die mit dem Gitter 40 verbunden ist und vier äußere Seitenflächen 41A als vier Seitenflächen der unteren Gitter­ platte 4 sowie innere Seitenflächen 41B aufweist, die gemein­ sam einen Innenraum 42 begrenzen, und einen Düsenabschnitt 43, der mit der rohrförmigen Seitenwand 41 verbunden ist und ein Kühlmittel (Kühlwasser) in den Innenraum 42 einleitet.

Nach den Fig. 10 und 11 hat das Gitter 40 Stabbefesti­ gungsöffnungen 45, in die die Unterenden der jeweiligen Brennstäbe 5 eingeführt sind, Zugstangenbefestigungsöffnungen 46 und Wasserrohrbefestigungsöffnungen 47, in die die Un­ terenden der jeweiligen Wasserrohre 6 eingeführt sind. Das Gitter 40 hat ferner Kühlwasserzufuhröffnungen 18, 21, 22, 23, 24 mit jeweils verschiedenen Strömungsquerschnitten, die in bezug auf die Befestigungsöffnungen 45, 46, 47 gemischt angeordnet sind und das in den Innenraum 42 eingeleitete Kühlwasser vom Gitter 40 nach oben, d. h. in die Kühlwas­ serkanäle 11, leiten. Von diesen Kühlwasserzufuhröffnungen bilden die äußersten Kühlwasserzufuhröffnungen 18 Strömungs­ kanäle zur Verringerung einer das Kühlwasser so treibenden Kraft, daß es durch den Kühlwasserkanal 17 austritt, und zur Erzeugung eines Kühlmittelstroms, der einen Austritt des Kühlwassers durch den Kanal 17 unterdrückt, wenn die BSK 1 in einen Reaktorkern eingesetzt ist. Nachstehend wird der durch die Kühlwasserzufuhröffnungen 18 austretende Kühlwasserstrom als Strahlstrom bezeichnet.

Nach den Fig. 10 und 12 hat jede Kühlwasserzufuhröffnung 18 einen inneren Teil 18a, der einen Teil des Gitters 40 durch­ setzt, der innerhalb der inneren Seitenfläche 41B der rohrförmigen Seitenwand 41 liegt, und einen äußeren Teil 18b, der außerhalb der inneren Seitenfläche 41B liegt und die rohrförmige Seitenwand 41 so durchsetzt, daß er in die innere Seitenfläche 41B mündet. Somit ist ein Auslaß der Kühlwasser­ zufuhröffnung 18 näher an der äußeren Seitenfläche 41A der unteren Gitterplatte 4 als ein Auslaß der äußersten Kühlwas­ serzufuhröffnung im Stand der Technik A positioniert.

Anders ausgedrückt sind die Kühlwasserzufuhröffnungen 18 je­ weils wie folgt ausgelegt. In Fig. 11 ist die Dimension t₁ zwischen einem Punkt P in der Innenumfangsfläche des Aus­ lasses der Kühlwasserzufuhröffnung 18, der auf der gleichen Seite wie die äußere Seitenfläche 41A der unteren Gitter­ platte 4 liegt (d. h. ein Teil dieser Innenumfangsfläche nächst der äußeren Seitenfläche 41A), und der äußeren Seitenfläche 41A kleiner als die Dicke t₂ der Seitenwand der unteren Gitterplatte 4 (d. h. die Dicke der rohrförmigen Seitenwand 41) ist, und zwar, weil der Punkt P näher an der äußeren Seiten­ fläche 41B als an der inneren Seitenfläche 41A der rohrförmi­ gen Seitenwand 41 liegt. Aus einem anderen Aspekt betrachtet, ist die Dimension L₁ zwischen dem Punkt P am Auslaß der Kühlwasserzufuhröffnung 18 und der Mittenachse der unteren Gitterplatte 4 größer als die Dimension L₂ zwischen der in­ neren Seitenfläche 41B der unteren Gitterplatte 4 und der Mittenachse der unteren Gitterplatte 4. Ferner ist ein Teil der Kühlwasserzufuhröffnungen 18 (näher an der äußeren Sei­ tenfläche 41A) außerhalb derjenigen Brennstabeinführöffnungen (d. h. der Brennstabbefestigungsöffnungen 45 und der Zugstan­ genbefestigungsöffnungen 46) positioniert, in die die Un­ terenden der äußersten Brennstäbe 5 einzusetzen sind. Als Al­ ternative kann die Kühlwasserzufuhröffnung vollständig außer­ halb dieser Brennstabbefestigungsöffnungen positioniert sein.

Um die Leckunterdrückungsfunktion oder den Dichteffekt des Strahlstroms für das Kühlwasser zu verstärken, ist es wichtig, daß der gesamte Strömungsquerschnitt der Kühlwasserzufuhröffnungen 21, die in dem äußeren Randbereich angeordnet sind, maximal ist, wogegen die Strömungsquer­ schnitte der inneren Zufuhröffnungen 22, 23, 24 verengt oder kleiner vorgegeben sind.

Unter Bezugnahme auf die obige Erläuterung wird nachstehend die Zuordnung der Strömungsquerschnitte der Kühlwasserzu­ fuhröffnungen 18, 21-24 erläutert. Der Strömungsquerschnitt einer Kühlwasserzufuhröffnung 18 sei a, der Strömungsquer­ schnitt einer Kühlwasserzufuhröffnung 21, die an der Innen­ seite der Zufuhröffnung 18 liegt, sei b, der Strömungsquer­ schnitt einer an der Innenseite der Zufuhröffnung 21 liegen­ den Kühlwasserzufuhröffnung 22 sei c, und der Strömungsquer­ schnitt einer Kühlwasserzufuhröffnung 24 in der Mitte sei d; dann werden die Gesamtströmungsquerschnitte der Kühlwasserzu­ fuhröffnungen in den jeweiligen Bereichen wie folgt ausge­ drückt:

Die Grenzen zwischen den jeweiligen Bereichen der Kühlwasserzufuhröffnungen sind durch Linien gegeben, die diese Vielzahl von Brennstabeinführöffnungen 45 verbinden, die zwischen zwei benachbarten Bereichen der Kühlwasserzu­ fuhröffnungen 18 und 21-23 liegen und parallel zu einer Anordnung der Kühlwasserzufuhröffnungen mit Ausnahme der Kühlwasserzufuhröffnungen 24 sind. Die Prozentsätze der Gesamtquerschnittsbereiche der Kühlwasserzufuhröffnungen in den jeweiligen Bereichen sind vorteilhaft so vorgegeben, daß sie in Bereiche fallen, die in der folgenden Tabelle I gezeigt sind.

Insbesondere ist der Gesamtquerschnittsbereich der Kühlwasserzufuhröffnungen 18 im Bereich von 25-35% möglichst groß vorgegeben, und der Gesamtströmungsquerschnitt der Kühlwasserzufuhröffnungen 21 ist im Bereich von 40-50% maxi­ mal vorgegeben. Dann sind die Gesamtströmungsquerschnitte der Kühlwasserzufuhröffnungen näher an der Mitte allmählich ver­ ringert; der Gesamtströmungsquerschnitt der Kühlwasserzu­ fuhröffnungen 22 ist im Bereich von 15-25% vorgegeben, der Gesamtströmungsquerschnitt der Kühlwasserzufuhröffnungen 23 ist im Bereich von 2-10% vorgegeben, und der Gesamtströ­ mungsquerschnitt der Kühlwasserzufuhröffnungen 24 ist im Bereich von 0-5% vorgegeben. Die Kühlwasserzufuhröffnungen 24 dienen auch als Öffnungen zum Befestigen der unteren Git­ terplatte 4 an einer Werkzeugmaschine für Bearbeitungszwecke.

Tabelle I

Als ein praktisches Beispiel zeigt die folgende Tabelle II Zahlenwerte für den Fall der BSK 1A, wobei die Brennstäbe 5 in Form einer Matrix von neun Reihen und neun Spalten ange­ ordnet sind. Bei diesem praktischen Beispiel entsprechen die Prozentsätze der Gesamtströmungsquerschnitte in den entsprechenden Bereichen den Bereichen der Tabelle I. Die Zahlenwerte, die den Durchmesser, die Anzahl und weitere Pa­ rameter der Kühlwasserzufuhröffnungen betreffen, sind nur beispielsweise aufgeführt, und die Erfindung ist nicht auf diese Zahlenwerte beschränkt. Die obigen Prozentsätze der jeweiligen Gesamtströmungsquerschnitte bezeichnen Eigen­ schaften der Gesamtströmungsquerschnitte der Kühlwasserzu­ fuhröffnungen in den entsprechenden Bereichen in bezug auf die Gesamtsumme von Strömungsquerschnitten (= A + B + C + D + E) sämtlicher Kühlwasserzufuhröffnungen, die in der unteren Gitterplatte 4 vorgesehen sind, d. h. das Verhältnis der Gesamtquerschnitte der Kühlwasserzufuhröffnungen in den je­ weiligen Bereichen.

Tabelle II

Bei der BSK 1A dieses Ausführungsbeispiels ist gemäß Fig. 13 eine Aussparung 12 in jeder von zwei äußeren Seitenflächen 41A der unteren Gitterplatte 4 mit einer Ecke dazwischen vorgesehen. Die übrigen beiden äußeren Seitenflächen 41A haben keine Aussparung 12. Somit ist die Aussparung 12 in einem Paar jedes gegenüberliegenden Paars von äußeren Seiten­ flächen 41A der unteren Gitterplatte 4 ausgebildet. Ebenso wie bei der vorhergehenden BSK 1 ist der Kühlwasserkanal 17 mit Venturi-Einrichtung auch in der BSK 1A zwischen der un­ teren Gitterplatte 4 und dem Brennelementkasten 8 durch Vorsehen der Aussparung 12 definiert. Die BSK 1A weist ebenso wie die vorhergehende BSK 1 keine Fingerfeder im Kühlwasserkanal 17 auf. Auch ist bei den später noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen jeweils keine Fin­ gerfeder vorgesehen.

Dieses Ausführungsbeispiel verwendet den Strömungsdurchgang im Gitter 40 der unteren Gitterplatte 4 zur Erzeugung von Strahlströmen und in Kombination mit der Venturi-Einrichtung zwischen dem Brennelementkasten 8 und der unteren Gitter­ platte 4. Es ist daher möglich, ein Austreten von Kühlwasser wirksam zu unterbinden, während gleichzeitig eine Verformung des Brennelementkastens 8 vermieden wird, und zwar aufgrund eines synergistischen Effekts der Funktion der Unterdrückung eines Kühlwasseraustritts durch die Strahlströme und der Funktion der Unterdrückung einer Verformung des Brennelement­ kastens durch die Venturi-Einrichtung. Ferner hat dieses Aus­ führungsbeispiel die Funktion, daß Schwingungen des Brennele­ mentkastens unterdrückt werden. Diese Funktionen werden im einzelnen erläutert.

Beim Betrieb eines Siedewasserreaktors wird der vorher in einen Reaktorkern eingebrachten BSK 1A Kühlwasser zugeführt. Das Kühlwasser wird in den Brennelementkasten 8 durch die Kühlwasserzufuhröffnungen 18 und 21-24, die im Gitter 40 der unteren Gitterplatte 4 ausgebildet sind, eingeleitet. Der größte Teil des in den Brennelementkasten 8 eingeleiteten Kühlwassers steigt durch die Kühlwasserkanäle 11 hoch und strömt dann aus der oberen Gitterplatte 2 nach oben aus. Ein Teil des Kühlwassers tritt zur Außenseite der BSK 1A durch den Kühlwasserkanal 17 aus. Die austretende Kühlwassermenge wird jedoch zuerst unter der Einwirkung der aus den Strö­ mungskanälen, die die äußersten Kühlwasserzufuhröffnungen 18 umfassen, vom Außenrand der unteren Gitterplatte 4 zur Innen­ fläche des Brennelementkastens 8 austretenden Strahlströme verringert.

Das Prinzip des Strahlstromeffekts basiert auf der Tatsache, daß der statische Druck am Einlaß des Kühlwasserkanals 17 (d. h. am oberen Ende des Zwischenraums 14) unter der Ein­ wirkung der aus dem Außenumfangsrand der unteren Gitterplatte 4 austretenden Strahlströme verringert wird, wodurch die das Kühlwasser zum Austritt treibende Kraft verringert wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik A wird bei diesem Aus­ führungsbeispiel (Fig. 14) die Kühlwasserströmungsrate im Bereich des Brennelementkastens 8 erhöht. Fig. 14 zeigt die Verteilung der Kühlwasserströmungsrate an der Oberfläche der unteren Gitterplatte 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die genannte Verteilung der Kühlwasserströmungsrate er­ halten wird, haben die Strahlströme die Wirkung, einen Niederdruckbereich an Stellen unter den Strahlströmen, die aus den Kühlwasserzufuhröffnungen 18 und nahe der Innenfläche des Brennelementkastens 8, d. h. im Bereich des Einlasses des Kühlwasserkanals 17, austreten, zu erzeugen. Infolgedessen kann ein Austritt des Kühlwassers im Brennelementkasten 8 nach außen durch den Kühlwasserkanal 17 unterdrückt werden.

Der Strahlstromeffekt wird noch wirksamer durch Annäherung des Auslasses jeder Kühlwasserzufuhröffnung 18 im Gitter 40 an die äußere Seitenfläche 41A der unteren Gitterplatte 4 (d. h. durch Anordnen des Punktes P näher an der äußeren Seitenfläche 41A). Außerdem kann die Funktion der Unter­ drückung eines Austretens von Kühlwasser bzw. der Dich­ tungseffekt durch die Strahlströme dadurch verstärkt werden, daß der Strömungsquerschnitt der Wasserzufuhröffnungen im Außenumfangsteil der unteren Gitterplatte größer und der Strömungsquerschnitt der Wasserzufuhröffnungen in der Mitte der unteren Gitterplatte kleiner vorgegeben wird. Durch geeignete Wahl der Strömungsquerschnitte der Wasserzufuhröff­ nungen in den jeweiligen Bereichen kann ferner der zusätz­ liche Effekt erreicht werden, daß die Verteilung von Strö­ mungsgeschwindigkeiten innerhalb der BSK 1A nach dem Austritt aus der unteren Gitterplatte 4 gleichmäßiger als beim Stand der Technik A gemacht werden kann.

Insbesondere ist bei diesem Ausführungsbeispiel jede Kühl­ wasseraustrittsöffnung 18 so ausgelegt, daß ein Teil der Öffnung 18 (d. h. der äußere Teil 18b), der außerhalb der äußersten einer Vielzahl von Brennstabeinführöffnungen liegt, eine größere horizontale Weite als der restliche Teil der Öffnung 18 (d. h. der innere Teil 18a), der im Bereich zwischen benachbarten Öffnungen der äußersten Brennstabein­ führöffnungen liegt, aufweist. Daher können die Strahlströme über die gesamte Innenfläche des Brennelementkastens 8 mit Ausnahme seiner Ecken nahezu gleichmäßig zugeführt werden. Dies dient der Verringerung des Kühlwasserleckstroms.

Nachstehend wird die Venturi-Einrichtung erläutert. Hin­ sichtlich des Prinzips entwickelt die Venturi-Einrichtung der BSK 1A die Funktion entsprechend der Strichlinie von Fig. 3 ebenso wie die Venturi-Einrichtung der BSK 1. Insbesondere unterliegen die Seitenwände des Brennelementkastens 8, die jeweils den beiden die Aussparungen 12 aufweisenden äußeren Seitenflächen 41A zugewandt sind, Kräften, die diese Seiten­ wände in Richtung zur unteren Gitterplatte 4 anziehen. Diese Kräfte werden jedoch nicht auf die Seitenwände des Brennele­ mentkastens 8 ausgeübt, die den beiden anderen äußeren Sei­ tenflächen 41A, die keine Aussparung 12 aufweisen, zugewandt sind. Somit unterliegen nur zwei der vier Seitenwände des Brennelementkastens 8 weniger stark der nach außen gerich­ teten Verformung. Daher wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Auswirkung der Unterdrückung des Kühlwasserleckstroms durch die Venturi-Einrichtung im Vergleich mit der in Fig. 5 gezeigten Auswirkung verringert. Wenn man jedoch den Effekt der Unterdrückung des Kühlwasserleckstroms durch die Strahl­ ströme addiert, wird der resultierende Unterdrückungseffekt bei diesem Ausführungsbeispiel größer als bei demjenigen von Fig. 5. Andererseits ist der Effekt der Kühlwasserleckstrom- Unterdrückung bei diesem Ausführungsbeispiel geringer als bei einem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 22, das ebenfalls in Kombination die Strahlströme und die Venturi-Einrichtung verwendet.

Durch die gemeinsame Verwendung der Strahlströme und der Ven­ turi-Einrichtung wird der Druck am Einlaß des Kühlwasser­ kanals 17, der die Venturi-Einrichtung aufweist, durch den Strahlstromeffekt dieses Ausführungsbeispiels verringert; so daß der Kühlwasserstrom im Kühlwasserkanal 17 eine andere Verteilung des statischen Drucks gegenüber derjenigen im Fall der ausschließlichen Verwendung der Venturi-Einrichtung zeigt. Fig. 15 zeigt die Verteilung des statischen Drucks in ähnlicher Weise wie in Fig. 3, wobei die Vollinie den Fall der zusätzlichen Nutzung des Strahlstromeffekts und die Strichlinie die ausschließliche Verwendung der Venturi-Ein­ richtung darstellt.

Wenn zusätzlich die Strahlströme eingesetzt werden, wird der Druck am Oberende der unteren Gitterplatte, d. h. am Einlaß des Kühlwasserkanals 17, um ΔP_j gesenkt. Entsprechend wird die Strömungsgeschwindigkeit des austretenden Kühlwassers verringert, und der statische Druck am Startpunkt S der schrägen Fläche 13 wird erhöht. Der zu einer Verformung des Brennelementkastens 8 tendierende Druck ist jedoch durch die Gesamtsumme des verteilten statischen Drucks vom Oberende der unteren Gitterplatte bis zum Unterende des Brennelementka­ stens bestimmt und durch die Differenz der Verteilungsflächen des statischen Drucks gegeben, wobei der Druck 0 (d. h. der Druck P₂) in Fig. 15 als Referenzwert vorgegeben ist. Hin­ sichtlich der Differenz der Verteilungsflächen des statischen Drucks ist der Effekt A₁ der Verringerung der Verteilungs­ fläche des positiven statischen Drucks mit der Druckver­ ringerung ΔP_j nahezu gleich dem Effekt A₂ der Verringerung der Verteilungsfläche des negativen statischen Drucks mit dem Abfall der Strömungsgeschwindigkeit. Infolgedessen erzeugt die kombinierte Anwendung der Strahlströme und der Venturi- Einrichtung im wesentlichen den gleichen Effekt wie die alleinige Anwendung der Venturi-Einrichtung. Mit anderen Worten wird der Druckabfall ΔP_j des statischen Drucks, der am Oberende der unteren Gitterplatte 4 durch den Strahlstrom­ effekt erzeugt wird, nahezu gleich einem Anstieg ΔP_v des statischen Drucks, der durch den Abfall der Strömungsge­ schwindigkeit aufgrund von ΔP_j bewirkt wird. Infolgedessen wird bei zusätzlicher Anwendung der Strahlströme der Effekt der Venturi-Einrichtung nunmehr durch die Strahlströme beein­ flußt.

Wie oben beschrieben, kann bei diesem Ausführungsbeispiel der Kühlwasserleckstrom während des Arbeitszyklus nahezu kon­ stantgehalten werden, so daß es möglich ist, die Wärmelei­ stung der BSK 1A zu stabilisieren.

Ferner kann die obengenannte Auswirkung dieses Ausführungs­ beispiels mit einer einfachen Konstruktion erreicht werden, wobei die Kühlwasserzufuhröffnungen 18 im Außenumfangsrand des Gitters 40 der unteren Gitterplatte 4 vorgesehen sind, um den Strahlstromeffekt zu liefern, und der Strömungsquer­ schnitt wie bei dem Kühlwasserkanal 17 zwischen dem Brenn­ elementkasten 8 und der unteren Gitterplatte 4 allmählich verändert ist, um den Venturi-Effekt zu erzielen.

Schließlich folgt nun eine Beschreibung der Funktion der Un­ terdrückung der Schwingungen des Brennelementkastens 8. Die untere Gitterplatte 4 hat zwei Paare von äußeren Seiten­ flächen 41A, die einander jeweils gegenüberliegen, wobei das eine Paar von äußeren Seitenflächen 41A jeweils die Aus­ sparung 12 aufweist und das andere Paar keine Aussparung 12 aufweist. Die die Seitenwand des Brennelementkastens 8 zur unteren Gitterplatte 4 anziehende Kraft wird durch den Ven­ turi-Effekt für die äußere Seitenfläche 41A, die die Aus­ sparung 12 aufweist, erzeugt. Infolgedessen ist die An­ ziehungskraft in einer der ein Paar bildenden äußeren Sei­ tenflächen 41A, die einander gegenüberliegen, immer größer als in der anderen. Die erste Ursache für die Schwingungs­ erzeugung kann dadurch so eliminiert werden, daß Schwingungen des Brennelementkastens 8 an seinem unteren Endteil weit­ gehend unterdrückt werden. Gleichzeitig können auch Schwin­ gungen des Brennelementkastens 8 infolge der zweiten Ursache für die Schwingungserzeugung weitgehend unterdrückt werden. Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Aussparung 12 an ihren gegenüberstehenden Seitenrändern so ausgelegt, daß ein Aussparen mit einem Fräsmesser (Fig. 13) möglich ist, wenn die Aussparung 12 von einer Werkzeugmaschine gefräst wird. In diesem Fall wird die Breite i der Aussparung 12 gleich der Breite eines ebenen Teils der Aussparung 12.

Zur Entwicklung der Funktion der Venturi-Einrichtung ist es vorteilhaft, die folgenden Bedingungen in Betracht zu ziehen. Diese Bedingungen sind in gleicher Weise auf noch zu erläu­ ternde Ausführungsbeispiele anwendbar.

Gemäß Fig. 16 sind der Abstand a vom Oberende der unteren Gitterplatte 4 zum Startpunkt S der schrägen Fläche 13 und der Abstand L₀ vom Oberende der unteren Gitterplatte 4 zum Unterende des Brennelementkastens 8 vorteilhaft so vorge­ geben, daß a/L₀ der folgenden Bedingung für eine frische BSK 1A (mit einem Abbrandgrad 0 GWd/t) vor dem Einbringen in den Reaktorkern genügt. Es ist zu beachten, daß der Abstand L₀ ein Wert ist, der mit dem Abbrandgrad 0 GWd/t erhalten wird.

0,3 ≦ a/L₀ < α (2)

In dieser Gleichung ist α ein Grenzwert, der vorgegeben ist, um zu vermeiden, daß das untere Ende der schrägen Fläche 13 unter dem Unterende des Brennelementkastens 8 positioniert wird, und zwar auch dann, wenn das Unterende des Brennele­ mentkastens 8 nach oben bewegt wird, um eine Verlagerung wie etwa von L₀ zu L₁ mit zunehmendem Abbrandgrad zu bewirken. Der Grenzwert hängt von den Vorgabebedingungen des Abbrand­ grads der BSK 1A ab. Wenn das untere Ende der schrägen Fläche 13 unter dem Unterende des Brennelementkastens 8 positioniert ist, könnte die Venturi-Einrichtung den Venturi-Effekt nicht mehr entwickeln. In diesem Fall wird der Kühlwasserleckstrom abrupt vergrößert.

Wenn andererseits der Abstand a vergrößert wird, würde der reibungsbedingte Druckverlust zwischen dem Brennelementkasten 8 und der unteren Gitterplatte 4, d. h. der Strömungswider­ stand zwischen diesen beiden Teilen 8 und 4, größer werden, um eine Zunahme des Kühlwasserleckstroms zu unterdrücken. Da jedoch der Startpunkt S der schrägen Fläche 13 an das untere Ende des Brennelementkastens 8 angenähert ist, würde der Bereich, in dem die Druckdifferenz P negativ oder Null wird, um die nach außen gerichtete Verformung des Brennelementka­ stens 8 unterdrücken zu können, näher an das Unterende des Brennelementkastens 8 gelangen, wodurch eine Kriechverformung des Brennelementkastens 8 gegenüber der Anwendung eines klei­ neren Abstands a verstärkt werden würde.

Fig. 17 zeigt die Abhängigkeit des Kühlwasserleckstroms von dem Abstand a unter Berücksichtigung einer Kriechverformung des Brennelementkastens 8. Wie die Kurve von Fig. 17 zeigt, wird der Kühlwasserleckstrom im Bereich a/L₀ < 0,3 erheblich verringert. Es ist daher erwünscht, die Bedingung a/L₀ < 0,3 zu erfüllen. Da der Kühlwasserleckstrom bei a/L₀ < 0,6 Mini­ mum wird, ist es insbesondere bevorzugt, die Bedingung a/L₀ < 0,6 zu erfüllen.

Ferner liegt der Winkel Θ der schrägen Fläche 13 der Aus­ sparung 12 bevorzugt im Bereich von 5-6°. Bei einem Bereich von 5-6° für den Winkel Θ wird der Druckverlust am Zwischen­ raum 15 minimiert und der Venturi-Effekt maximiert.

Es ist erwünscht, daß die Tiefe b der Grundfläche 12A der Aussparung 12 im Bereich von 1-2 mm liegt. Die Tiefe b der Aussparung 12 sollte so bestimmt sein, daß die Druckdifferenz ΔP, die am unteren Ende des Zwischenraums 14 negativ geworden ist, auf Null zurückgebracht wird. Mit anderen Worten sollte der dynamische Druck ρv²/2g am Zwischenraum 16 nahezu Null sein. Aus diesem Grund muß die Tiefe b größer als 1 mm sein. Wenn jedoch die Tiefe b so vergrößert wird, wird die Seiten­ wanddicke der unteren Gitterplatte zu gering, was zu einem Problem im Hinblick auf die mechanische Festigkeit führt. Da­ her liegt die Tiefe b bevorzugt im Bereich von 1-2 mm.

Um ferner den Venturi-Effekt zu maximieren, ist es erwünscht, daß in der Aussparung 12 keine Vorsprünge vorgesehen sind, die die Breite G₂ des Zwischenraums 16 verringern könnten.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 18, 19, 20A und 20B wird eine BSK 1B gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erläutert. Die BSK 1B unterscheidet sich von der BSK 1A nur hinsichtlich der unteren Gitterplatte. Eine untere Gitterplatte 4B dieses Ausführungsbeispiels weist in sämtlichen vier äußeren Seiten­ flächen 41A Aussparungen 12 auf. Der Abstand a bis zu der Aussparung (12B in den Fig. 18 und 19) in der einen jedes Paars von einander gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen 41A ist um einen Betrag H kürzer als der Abstand a bis zu der Aussparung (12C in den Fig. 18 und 19) in der anderen jedes Paars von äußeren Seitenflächen 41A. Die Aussparungen 12B und 12C haben ähnliche Form wie die Aussparung 12 in der unteren Gitterplatte 4. Die untere Gitterplatte 4B ist mit Ausnahme der Aussparungen 12B und 12C gleich aufgebaut wie die untere Gitterplatte 4.

Da der Abstand a bis zu der Aussparung 12B von dem Abstand a bis zu der Aussparung 12C verschieden ist, wird der statische Druck Ps₁ infolge des Venturi-Effekts an verschiedenen Posi­ tionen oder Niveaus in den Bereichen des Kühlwasserkanals 17, der die jeweiligen Aussparungen enthält, erzeugt. Daher wird der der Aussparung 12B entsprechende statische Druck Ps₁ an einer höheren Position als der der Aussparung 12C entsprechende Druck erzeugt. Daher wirken bei diesem Aus­ führungsbeispiel die durch die jeweiligen Venturi-Einrichtun­ gen erzeugten Anziehungskräfte auf gegenüberliegende gepaarte zwei Seitenflächen des Brennelementkastens 8 an verschiedenen Stellen, die in Vertikalrichtung voneinander beabstandet sind. Mit anderen Worten sind die Bereiche an den Seiten­ flächen des Brennelementkastens 8, die den Anziehungskräften unterliegen, voneinander in Vertikalrichtung zwischen den entgegengesetzten Innenflächen des Brennelementkastens 8 ver­ schieden. Somit wirken die Anziehungskräfte auf die beiden entgegengesetzten Seitenflächen des Brennelementkastens 8 an verschiedenen Stellen, wie vorstehend gesagt, und der vorge­ nannte erste Grund für die Erzeugung von Schwingungen kann so eliminiert werden, daß Schwingungen des Brennelementkastens weitgehend unterdrückt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben zwar die Aussparungen 12B und 12C, die jeweils in den beiden gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen der unteren Gitterplatte gebildet sind, ähnliche Form, aber die ver­ tikalen Positionen der Aussparungen sind voneinander ver­ schieden. Bei einem noch zu beschreibenden Ausführungs­ beispiel nach Fig. 28 sind die Aussparungen ebenfalls an ver­ schiedenen Stellen angeordnet. Die Form der Aussparung umfaßt dabei jeweilige Aussparungsformen von der Vorderseite der äußeren Seitenfläche 41A und entlang den Quer- und Ver­ tikalschnitten der äußeren Seitenfläche 41A gesehen.

Dieses Ausführungsbeispiel liefert ebenso wie die vorherige BSK 1A den Effekt einer Unterdrückung des Kühlwasserleck­ stroms aufgrund der Strahlströme und der Venturi-Einrichtung. Da außerdem die vier äußeren Seitenflächen 41A sämtlich mit der Venturi-Einrichtung versehen sind, ist die Unterdrückung des Kühlwasserleckstroms bei diesem Ausführungsbeispiel stärker als bei der vorherigen BSK 1A.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 21-23 wird nachstehend die Auswirkung bei der kombinierten Anwendung der Strahlströme und der Venturi-Einrichtung erläutert.

Fig. 21 zeigt die Abhängigkeit des Kühlwaserleckstroms von der Druckdifferenz ΔP zwischen der Innen- und der Außenseite des Brennelementkastens, d. h. die Druckdifferenz, die eine den Leckstrom treibende Kraft erzeugt. Der Kühlwasserleck­ strom wird unter der Einwirkung der Strahlströme verringert, die durch die im Gitter 40 der unteren Gitterplatte 4B gebildeten Kühlwasserzufuhröffnungen 18 austreten. Diese Auswirkung ist in Fig. 21 durch eine Strichlinie dargestellt. Wie ersichtlich ist, erhöht die Erzeugung der Strahlströme die Auswirkung der Unterdrückung des Kühlwasserleckstroms um einen Betrag in der Größenordnung von ca. 20% gegenüber dem Stand der Technik A. Wenn also die Druckdifferenz zwischen der Innen- und der Außenseite des Brennelementkastens durch ΔP₀ gegeben ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Kühlwasserleckstrom um ΔQ gegenüber dem Stand der Technik A verringert. Dies entspricht der Tatsache, daß die Druckdif­ ferenz zwischen der Innen- und der Außenseite des Brennele­ mentkastens unter der Einwirkung der Strahlströme um ΔP₁ ver­ ringert wird, um den Kühlwasserleckstrom um ΔQ zu vermindern.

Ferner kann bei der BSK 1B, die den Strahlstromeffekt mit dem Venturi-Effekt kombiniert, der Kühlwasserleckstrom gegenüber dem Fall der alleinigen Anwendung des Strahlstromeffekts weiter dadurch verringert werden, daß eine Verformung des Brennelementkastens durch die Venturi-Einrichtung unterdrückt wird. Dieser synergistische Effekt ist durch Versuche bestätigt worden. Im Betrieb eines Reaktors unterliegt der Brennelementkasten 8 ständig dem Druck, der vom Inneren zum Äußeren unter dem statischen Druck von Kühlwasser in den Kühlwasserkanälen 11 usw. wirksam ist, so daß eine Kriechver­ formung nach außen auftritt. Wegen dieser Kriechverformung nach außen auftritt. Wegen dieser Kriechverformung des Brennelementkastens wird beim Stand der Technik A mit zunehmendem Abbrandgrad der Kühlwasserleckstrom durch den Zwischenraum zwischen der unteren Gitterplatte 4 und dem Brennelementkasten 8 allmählich größer, wie durch die Vollinie in Fig. 22 angedeutet ist. Die Rate dieses zu­ nehmenden Kühlwasserleckstroms wird durch die Auswirkung der aus den Strömungskanälen 18 austretenden Strahlströme ver­ ringert, wie die Strichlinienkurve zeigt. Dann wird bei diesem Ausführungsbeispiel, das auch die Venturi-Einrichtung verwendet, die Kraft, die den Brennelementkasten 8 in Rich­ tung zur unteren Gitterplatte zieht, verstärkt und unter­ drückt eine Zunahme der Kriechverformung des Brennelementka­ stens 8. Infolgedessen addiert sich der Effekt der Unter­ drückung einer Kriechverformung des Brennelementkastens durch die Venturi-Einrichtung zu dem Strahlstromeffekt, so daß eine Erhöhung des Kühlwasserleckstroms mit zunehmendem Abbrandgrad wirksamer unterdrückt wird, und zwar bis auf eine im wesent­ lichen lineare Beziehung, wie die Strich-Punkt-Kurve in Fig. 22 zeigt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 23A und 23B wird die Auswirkung der Verminderung des Kühlwasserleckstroms durch die gemein­ same Anwendung der Strahlströme und der Venturi-Einrichtung weiter erläutert.

Fig. 23A zeigt Änderungen der Verformung des Brennelementka­ stens in bezug auf den zunehmenden Abbrandgrad während des Arbeitszyklus sowohl beim Stand der Technik A als auch bei diesem Ausführungsbeispiel. Bei einem Abbrandgrad E ist die Verformung des Brennelementkastens beim Stand der Technik A a₁, sie wird jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel durch den Venturi-Effekt auf a₂ verringert.

Fig. 23B zeigt die Auswirkung der Verminderung des Kühlwas­ serleckstroms in Abhängigkeit von der Verformung des Brenn­ elementkastens. Beim Stand der Technik A wird der Kühlwasser­ leckstrom c₁ entsprechend einem Punkt b₁ auf der Vollinie bei der Verformung a₁ des Brennelementkastens erzeugt. Bei Anwen­ dung des Strahlstromeffekts wird der Kühlwasserleckstrom auf c₁′ entsprechend einem Punkt b₁′ auf der Strichlinie bei der gleichen Verformung a₁ des Brennelementkastens verringert. Somit resultiert eine Verringerung des Kühlwasserleckstroms in der Größenordnung von (c₁-c₁′). Wenn dieses Ausführungs­ beispiel unter alleiniger Anwendung der Venturi-Einrichtung in die Praxis umgesetzt wird, wird ein Kühlwasserleckstrom c₂′ entsprechend einem Punkt b₂′ auf der Vollinie bei einer Verformung a₂ des Brennelementkastens erzeugt. Dadurch wird der Kühlwasserleckstrom gegenüber dem Stand der Technik A in der Größenordnung von (c₁-c₂′) verringert. Wenn auch noch der Strahlstromeffekt angewandt wird, wird der Kühlwasser­ leckstrom auf c₂′ entsprechend einem Punkt b₂′ auf der Strichlinie bei der gleichen Verformung a₂ des Brennelement­ kastens verringert. Damit resultiert eine bedeutende Vermin­ derung des Kühlwasserleckstroms in der Größenordnung von (c₁-c₁′) gegenüber dem Stand der Technik A. Die vorgenann­ ten Maßnahmen können in gleicher Weise mit einigen Abwei­ chungen in allen Fällen angewandt werden, in denen in Kom­ bination die Strahlströme und die Venturi-Einrichtung ange­ wandt werden.

Wie oben beschrieben, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die bedeutende Auswirkung der Verminderung des Kühlwasserleck­ stroms gegenüber dem Stand der Technik A, der weder die Strahlströme noch die Venturi-Einrichtung verwendet, erzielt. Ferner wird selbst gegenüber dem Fall der Anwendung der Strahlströme oder der Venturi-Einrichtung jeweils für sich der Kühlwasserleckstrom verringert.

Zur weiteren Verbesserung der Funktionsweise der Venturi-Ein­ richtung ist es vorteilhaft, die folgenden Überlegungen ein­ zubeziehen. Dies gilt auch für alle Ausführungsbeispiele mit Venturi-Einrichtung.

Jede äußere Seitenfläche 41A der unteren Gitterplatte 4 geht gleichmäßig in die jeweils benachbarte äußere Seitenfläche 41A über, und zwar an der gebogenen Fläche mit dem Radius R (Fig. 10), so daß der Brennelementkasten 8 bei der Montage ohne weiteres in die untere Gitterplatte 4 einsetzbar ist. Es sei nun angenommen, daß jede äußere Seitenfläche 41A der un­ teren Gitterplatte 4 eine Breite L und der flache Teil der äußeren Seitenfläche 41A eine Breite L_f hat, wie Fig. 20B zeigt, so gilt die Beziehung L_f = L - 2R. Wenn ferner die bei der Venturi-Einrichtung vorgesehene Aussparung 12 eine Breite l hat, liegt diese Breite l bevorzugt im Bereich von 0,5-1,0 in bezug auf die Breite L_f des flachen Teils der unteren Git­ terplatte 4, so daß:

l/L_f = 0,5-1,0 (3).

Aus der vorhergehenden Gleichung (1) ist ersichtlich, daß sich die Auswirkung der Venturi-Einrichtung durch die Nutzung der Strömungsgeschwindigkeit von Leckkühlwasser, d. h. des dynamischen Drucks, entwickelt. In dieser Hinsicht wirkt sich die Unterdrückung einer nach außen gerichteten Verformung des Brennelementkastens 8 durch die negative Druckdifferenz ΔP auf die zentralen Teile der vier Seiten des Brennelementka­ stens 8 in stärkerem Maß als auf die vier Ecken des Brennele­ mentkastens 8 und ihre benachbarten Bereiche aus. Selbst wenn daher die Venturi-Einrichtung im Bereich der vier Ecken des Brennelementkastens 8 angeordnet ist, ist die Unterdrückung einer nach außen gerichteten Verformung des Brennelementka­ stens 8 gering. Ferner ist der Druckverlust-Koeffizient eines Teils des Kühlwasserkanals 17, der die Venturi-Einrichtung aufweist, auf ca. 1/2 gegenüber den übrigen Teilen ohne Ven­ turi-Einrichtung verringert, so daß die Möglichkeit eines Austritts von Kühlwasser im erstgenannten Bereich wahrschein­ licher ist. Selbst wenn also die Venturi-Einrichtung im Be­ reich der vier Ecken des Brennelementkastens 8 vorgesehen ist, würde der Kühlwasserleckstrom eher erhöht werden.

Die Fig. 24A und 24B zeigen die maximale Durchbiegung (relativer Wert) eines Balkens, die erzeugt wird, wenn auf den Balken einer Länge L eine gleichmäßig verteilte Last ein­ wirkt. Wenn die Länge l eines Teils oder Bereichs des Bal­ kens, auf den die gleichmäßig verteilte Last einwirkt, ver­ größert wird, wird auch die Durchbiegung größer. Wenn jedoch das Verhältnis der Länge l des Teils, der mit der gleichmäßig verteilten Last beaufschlagt ist, zu der Länge L des Balkens größer als 0,5 wird, wird die Erhöhungsrate der Durchbiegung verringert.

Aufgrund dieses Gesichtspunkts ist es bevorzugt, daß die Breite l der die Venturi-Einrichtung bildenden Aussparung 12 nicht kleiner als 0,5, aber auch nicht größer als 1,0 in bezug auf die Breite L_f des flachen Teils der äußeren Seiten­ fläche 41A ist. Diese Bedingung wird unter Bezugnahme auf Fig. 25 näher erläutert. Die Fig. 25A und 25B zeigen die Beziehung zwischen der Breite (l/L_f) der Aussparung 12, die in der Seitenfläche der Gitterplatte vorgesehen ist, und dem Kühlwasserleckstrom (relativer Wert) mit der Steifigkeit des Brennelementkastens 8 als einem Parameter. Die Steifigkeit des Brennelementkastens 8 wurde durch Verwendung eines Zirkonlegierungsblechs, das ein heute verwendetes Material ist und in der Praxis eine Dicke von 2-3 mm hat, geändert, wobei diese Dicke über den Bereich von ca. 1,5-4 mm variiert wurde. Mit zunehmender Dicke der Wand des Brennelementkastens 8 (zur Erhöhung der Steifigkeit) wird die Verformung des Brennelementkastens geringer als bei einem Brennelementkasten mit der dünneren Wand (zur Verringerung der Steifigkeit), wenn eine konstante Last aufgebracht wird. Aus dem gleichen Grund wird der relative Kühlwasserleckstrom mit zunehmender Breite der Aussparung 12 in einem gewissen Umfang verringert. Dann zeigt der schraffierte Bereich in Fig. 25B einen Be­ reich, in dem der Kühlwasserleckstrom minimiert ist. Die diesem Bereich entsprechende Breite der Aussparung 12 nähert sich 1,0 mit abnehmender Steifigkeit des Brennelementkastens. Infolgedessen kann die Auswirkung der Venturi-Einrichtung wirksam werden, wenn die Breite l der Aussparung 12 in bezug auf L_f in dem Bereich von 0,5-1,0 vorgegeben ist.

Fig. 26 zeigt eine BSK 1C gemäß einem weiteren Ausführungs­ beispiel. Die BSK 1C umfaßt eine untere Gitterplatte 44C mit zwei Paaren von einander gegenüberliegenden äußeren Seiten­ flächen 41A, wobei in einer jedes Paars von einander gegen­ überliegenden Seitenflächen jeweils drei getrennte Aus­ sparungen 12D-12F und in der jeweils anderen äußeren Seiten­ fläche eine einzige Aussparung 12 vorgesehen sind. So sind die Aussparungen 12D-12F in jeder von zwei einander gegen­ überliegenden äußeren Seitenflächen 41A gebildet. Die Aus­ sparung 12 ist ebenfalls in zwei einander gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen 41A vorgesehen. Diese Aussparungen liegen alle auf der gleichen vertikalen Höhe. Die durch die Venturi-Einrichtung mit den drei Aussparungen 12D-12F erzeugte Anziehungskraft ist im Betrieb eines Reaktors immer von der Anziehungskraft verschieden, die von der Venturi-Ein­ richtung mit der Aussparung 12 erzeugt wird. Die letztere Anziehungskraft ist größer als die erstere. Infolgedessen werden die Anziehungskräfte, die jedes Paar der beiden einan­ der gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen des Brennele­ mentkastens 8 beaufschlagen, so erzeugt, daß die auf eine der äußeren Seitenflächen wirkende Anziehungskraft immer größer ist, wie das auch bei der BSK 1A der Fall ist. Da die Seiten­ wand des Brennelementkastens 8, die die größere Anziehungs­ kraft erfährt, bei diesem Ausführungsbeispiel daher immer in Richtung zur unteren Gitterplatte 4C angezogen wird, kann die vorher genannte erste Ursache für die Erzeugung von Schwin­ gungen eliminiert werden, und Schwingungen des Brennelement­ kastens 8 können ganz erheblich verringert werden. Mit Aus­ nahme der Anordnung der Aussparungen ergibt die BSK 1C einen ähnlichen Arbeitseffekt wie die BSK 1B.

Mit anderen Worten ist also die BSK 1C in ähnlicher Weise wie die BSK 1B ausgebildet mit Ausnahme der Anordnung der Ven­ turi-Einrichtung und kann daher wie die BSK 1B sowohl den Strahlstromeffekt als auch den Venturi-Effekt aufweisen.

Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel dafür, daß die in den beiden gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen 41A vor­ gesehenen Aussparungen voneinander verschiedene Form aufwei­ sen. Insbesondere unterscheiden sich bei diesem Beispiel die in den beiden gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen 41A vorgesehenen Aussparungen, gesehen von der Vorderseite der entsprechenden äußeren Seitenfläche 41A oder entlang dem Quer- oder Vertikalschnitt der äußeren Seitenfläche 41A, hinsichtlich ihrer Form voneinander. Die folgenden Ausfüh­ rungsbeispiele gemäß den Fig. 27 usw. gehören auch zu diesen Beispielen.

Fig. 27 zeigt eine BSK 1D gemäß einem weiteren Ausführungs­ beispiel, bei der die Anziehungskräfte verschiedener Stärke auf zwei entgegengesetzte Seitenflächen des Brennelementka­ stens 8 wirken. Insbesondere sind in der BSK 1D Aussparungen 12 und 12B mit voneinander verschiedener Breite b in jedem Paar von jeweils zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 41A der unteren Gitterplatte 4D vorgesehen. Die Anziehungskraft, die von der Venturi-Einrichtung mit der Aussparung 12G mit geringerer Tiefe b erzeugt wird, wird kleiner als die von der Venturi-Einrichtung mit der Aussparung 12 größerer Tiefe b erzeugte Anziehungskraft. Dieses Ausführungsbeispiel kann ebenfalls das Problem der ersten Ursache der Erzeugung von Schwingungen lösen und Schwingungen des Brennelementkastens 8 erheblich verringern.

Ferner ist es möglich, Anziehungskräfte verschiedener Stärken auf zwei entgegengesetzte Seitenflächen des Brennelementka­ stens 8 wirken zu lassen, indem der Winkel Θ der schrägen Fläche 13 der Aussparung 12 bei jeder der beiden gegenüber­ liegenden äußeren Seitenflächen 41A der unteren Gitterplatte geändert wird. Auch diese Modifikation kann das Problem der ersten Ursache der Erzeugung von Schwingungen lösen.

Fig. 28 zeigt eine BSK 1E gemäß einem weiteren Ausführungs­ beispiel, wobei Anziehungskräfte auf zwei entgegengesetzte Seitenflächen des Brennelementkastens 8 an verschiedenen Bereichen einwirken. Insbesondere sind dabei in jedem Paar von zwei entgegengesetzten äußeren Seitenflächen 41A einer unteren Gitterplatte 4E Aussparungen 12H an entsprechenden Stellen vorgesehen, die in Horizontalrichtung relativ zu­ einander verlagert sind. Dies wird erreicht, indem beide Seitenränder jeder Aussparung 12H von den benachbarten orthogonalen äußeren Seitenflächen 41A um unterschiedliche Strecken S₁ bzw. S₂ beabstandet werden. Somit wirken von den Venturi-Einrichtungen erzeugte Anziehungskräfte auf die bei­ den entgegengesetzten Seitenflächen des Brennelementkastens 8 an voneinander verschiedenen Stellen. Bei dieser Ausführungs­ form erzeugen daher diese verschiedenen Wirkpunkte der Anzie­ hungskräfte ein Drehmoment auf den Querschnitt des Brennele­ mentkastens 8, so daß vier Ecken der unteren Gitterplatte 4E mit der Innenfläche des Brennelementkastens 8 in Kontakt gebracht werden, um Schwingungen des Brennelementkastens 8 zu unterdrücken. Auf diese Weise kann auch die BSK 1E die erstgenannte Ursache für die Erzeugung von Schwingungen eliminieren und Schwingungen des Brennelementkastens 8 weit­ gehend unterdrücken.

Mit Ausnahme der Anordnung der Venturi-Einrichtungen sind die Ausführungsbeispiele der Fig. 27 und 28 ähnlich wie die vor­ herige BSK 1B aufgebaut.

Die Fig. 29A und 29B zeigen eine BSK 1F gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der in Fig. 29 nicht gezeigte Teil der BSK 1F entspricht der vorher beschriebenen BSK 1A. Die Aus­ sparung 12 ist in jeder der vier äußeren Seitenflächen 41A vorgesehen. Wenn nur diese Anordnung vorhanden ist, wird der Brennelementkasten 8 an seinem unteren Endteil ebenso wie bei der BSK 1 in Schwingungen versetzt. Um diese Schwingungen des Brennelementkastens 8 zu verhindern, weist diese Ausführungs­ form einen Vorsprung an jeder Ecke einer unteren Gitterplatte 4F zwischen den benachbarten äußeren Seitenflächen 41A auf, der nach außen verläuft. Der Vorsprung 30 ist so bemessen, daß er in Kontakt mit der Innenfläche der entsprechenden Ecke des Brennelementkastens 8 gehalten ist. Der Vorsprung 30 hat die Funktion, die Schwingung des Brennelementkastens 8 in Horizontalrichtung zu unterdrücken. Daher wirkt der Vorsprung 30 als Schwingungsunterdrückungseinrichtung.

Brennstoffkassetten gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die weitere Beispiele von Schwingungsunterdrückungseinrichtungen aufweisen, werden nachstehend beschrieben. Die folgenden Aus­ führungsbeispiele entsprechender BSK nach den Fig. 30-39 weisen Schwingungsunterdrückungseinrichtungen auf, die die zweite Ursache für die Erzeugung von Schwingungen beseitigen. Diese Ausführungsbeispiele können den Kühlwasserleckstrom auf der Basis sowohl des Strahlstromeffekts als auch des Venturi- Effekts wie im Fall der BSK 1B weitgehend unterdrücken.

Die Fig. 30-32 zeigen eine BSK 1G gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Eine untere Gitterplatte 4G der BSK 1G hat eine Aussparung 12, die in jeder ihrer vier äußeren Seiten­ flächen 41A gebildet ist. Sämtliche Aussparungen 12 liegen auf derselben vertikalen Höhe. Ferner ist in jeder Aussparung 12 eine Vielzahl von säulenartigen Vorsprüngen, d. h. von säulenartigen Wirbelstabilisatoren 31, vorgesehen. Die Wirbelstabi1isatoren 31 sind in einem Muster von zwei Reihen angeordnet, die in Axialrichtung der unteren Gitterplatte 4G voneinander beabstandet sind. Die Wirbelstabilisatoren 31 an der stromaufwärts befindlichen Seite sind jeweils so angeord­ net, daß sie zwischen jeweils zwei benachbarten Wirbelstabi­ lisatoren 31 an der stromabwärts befindlichen Seite in Hori­ zontalrichtung liegen. Wenn die Höhe H₁ jedes Wirbelstabi­ lisators 31 (d. h. die Höhe von der Bodenfläche 12A aus) die Tiefe b der Aussparung 12 übersteigt, wird der Venturi-Effekt nicht ausgebildet. Daher muß die Höhe H₁ kleiner als der Wert der Tiefe b vorgegeben sein. Das heißt, daß die Breite G₃ eines Zwischenraums zwischen der Innenfläche des Brennele­ mentkastens 8 und dem oberen Ende des Wirbelstabilisators 31 größer als die Breite G₁ eines Zwischenraums zwischen der In­ nenfläche des Brennelementkastens 8 und der äußeren Seiten­ fläche 41A der unteren Gitterplatte 4G ist. Mit Ausnahme der Konstruktion der die Wirbelstabilisatoren 31 aufweisenden Aussparung 12 ist die BSK 1G ebenso wie die vorherige BSK 1A (Fig. 1 und 9-11) ausgebildet.

Im Betrieb eines Reaktors strömt das Kühlwasser in den Kühlwasserkanälen 11 über der unteren Gitterplatte 4G in den Kühlwasserkanal 17. Es sei angenommen, daß der Druck außer­ halb des Brennelementkastens 8 P₂ und der statische Druck in dem Kühlwasserkanal 17 P_s ist. Die Fig. 33A und 33B zeigen die Verteilung des statischen Drucks aufgrund der Auswirkung der Venturi-Einrichtung und der Wirbelstabilisatoren 31, die beide im Kühlwasserkanal 17 vorhanden sind. Die Verteilung des statischen Drucks ist mit dem Druck P₂ als Referenzwert aufgetragen. Am Einlaß eines Zwischenraums 14 (d. h. an dem Punkt ist die Druckdifferenz ΔP (= P_s - P₂) positiv. Am Startpunkt S der schrägen Fläche 13 (d. h. am Punkt ) ist der statische Druck P_s minimiert, und ΔP nimmt einen mini­ malen negativen Wert an. Da der Strömungsquerschnitt im Be­ reich eines Zwischenraums 15 allmählich größer wird, wird der statische Druck P_s allmählich wieder hergestellt, und der Wert von ΔP wird Null angenähert. Die im Bereich eines Zwi­ schenraums 16 vorgesehenen Wirbelstabilisatoren 31 bieten einem Kühlwasserstrom Widerstand. Der in den Zwischenraum 16 strömende Kühlwasserstrom wird in solchem Maße gestört, daß der statische Druck P_s im Zwischenraum 16 den Druck P₂ im größten Bereich des Zwischenraums 16 übersteigt. In­ folgedessen wird am Auslaß des Kühlwasserkanals 17 kein unter dem Druck P₂ liegender statischer Druck P_s über den gesamten Außenumfang der unteren Gitterplatte (im Querschnitt) erzeugt. Ferner hat der durch die Wirbelstabilisatoren 31 gegebene Strömungswiderstand die Funktion, die Strömungs­ geschwindigkeit von Kühlwasser in dem Kühlwasserkanal 17 in Horizontalrichtung im wesentlichen zu vergleichmäßigen. Daher wird der Kühlwasserstrom durch die Zwischenräume 15 und 16 dadurch stabilisiert, daß er nicht von Schwankungen des Rei­ bungswiderstands beeinflußt wird, der durch die Wandfläche der unteren Gitterplatte, die den Kühlwasserkanal 17 definiert, hervorgerufen wird. Dadurch wird das Auftreten des Ansaugstroms FL₁ gemäß den Fig. 7B und 7C verhindert. In­ folgedessen kann dieses Ausführungsbeispiel die zweite Ur­ sache für die Erzeugung von Schwingungen beseitigen und Schwingungen des Brennelementkastens 8 weitgehend unter­ drücken.

In Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel ist es notwendig, daß α in der obigen Gleichung (2) so vorgegeben ist, daß eine Positionierung der Wirbelstabilisatoren 31 unter dem Unterende des Brennelementkastens 8 vermieden wird, und zwar auch dann, wenn das Unterende des Brennelementka­ stens 8 mit zunehmendem Abbrandgrad nach oben verlagert wird, um eine Verlagerung etwa von L₀ nach L₁ zu bewirken.

Bei diesem Ausführungsbeispiel haben sämtliche vier äußeren Seitenflächen 41A der unteren Gitterplatte 4G die gleiche Form, und die Aussparungen 12 liegen alle auf dem gleichen Niveau in Vertikalrichtung. Daher ist die maschinelle Bear­ beitung bei der Herstellung der unteren Gitterplatte 4G ver­ einfacht, und es ist keine besondere Sorgfalt bei der Aus­ richtung der unteren Gitterplatte 4G während der Montage der BSK notwendig.

Fig. 34 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer BSK. Fig. 34 zeigt eine untere Gitterplatte 4H der BSK. Die untere Gitterplatte 4H hat eine Vielzahl von Wirbelstabilisatoren 31A in zwei Reihen von Vorsprüngen, die von vorn gesehen rautenförmig und in jeder der in den vier äußeren Seiten­ flächen 41A gebildeten Aussparungen vorgesehen sind. Mit Aus­ nahme der Ausbildung der Wirbelstabilisatoren ist die BSK dieses Ausführungsbeispiels ebenso wie die BSK 1G ausge­ bildet. Da die Wirbelstabilisatoren 31A ebenso wie die Wirbelstabilisatoren 31 wirken, ist hier ebenfalls eine Un­ terdrückung von Schwingungen des Brennelementkastens möglich.

Fig. 35 zeigt eine untere Gitterplatte 41 in einer BSK gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die untere Gitterplatte 41 hat eine Vielzahl von Wirbelstabilisatoren 31B in jeder Aussparung 12, die in zwei Reihen in Vertikalrichtung von­ einander beabstandet angeordnet sind. Die Wirbelstabilisa­ toren 31B sind Vorsprünge, die von vorn gesehen ein Paral­ lelogramm bilden.

Fig. 36 zeigt eine untere Gitterplatte 4J in einer BSK gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die untere Gitterplatte 4J hat eine Vielzahl von Wirbelstabilisatoren 31C in jeder Ausnehmung 12, die in zwei Reihen angeordnet sind. Zwischen den Wirbelstabilisatoren 31C in der oberen Reihe ist ein säu­ lenartiger Wirbelstabilisator 31 angeordnet. Die Wirbelsta­ bilisatoren 31C sind von vorn gesehen ovale Vorsprünge.

Fig. 37 zeigt eine untere Gitterplatte 4K in einer BSK gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Die untere Gitterplatte 4K weist Wirbelstabilisatoren 31D auf, die in jeder Aussparung 12 in zwei vertikal voneinander beabstandeten Reihen vorgese­ hen sind. Die Wirbelstabilisatoren 31D sind lange Vorsprünge, die in Horizontalrichtung ununterbrochen über die Aussparung verlaufen.

Fig. 38 zeigt eine untere Gitterplatte 4L in einer BSK gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die untere Gitterplatte 4L hat einen Wirbelstabilisator 31E in jeder Aussparung 12. Der Wirbelstabilisator 31E ist eine ebene Fläche, die in geringerer Tiefe als der tiefste Teil (d. h. die Grundfläche 21A) der Aussparung liegt. Durch den Wirbelstabilisator 31E wird ein Stufenteil 12X gebildet, der vom tiefsten Teil nach außen und entlang der Axialrichtung der unteren Gitterplatte 4L abgestuft ist. Der Wirbelstabilisator 31E erstreckt sich über den Gesamtbereich der Aussparung 12 unter dem Stufenteil 12X. Ferner liegt der Wirbelstabilisator 31E in einer solchen Tiefe, daß er näher am tiefsten Teil der Aussparung 12 als an der äußeren Seitenfläche 41A liegt.

Fig. 39 zeigt eine untere Gitterplatte 4M in einer BSK gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die untere Gitterplatte 4M hat eine Vielzahl von Wirbelstabilisatoren 31F in jeder Aussparung 12, die in zwei in Vertikalrichtung voneinander beabstandeten Reihen vorgesehen sind. Die Wirbelstabili­ satoren 31F sind Öffnungen in der Bodenfläche 12A der Aus­ sparung 12 und sind von vorn gesehen kreisrund. Die Wirbel­ stabilisatoren 31F verlaufen nicht durch eine rohrförmige Seitenwand 31 der unteren Gitterplatte 4M.

Claims (9)

1. Brennstoffkassette mit einem Bündel von Brennstäben, die jeweils ein Ober- und ein Unterende haben, mit einer unteren Gitterplatte (4), die die Unterenden der Brennstäbe haltert und eine Vielzahl von Kühlmit­ telauslaßöffnungen (18, 21-24) aufweist, durch die den Zwischenräumen zwischen den Brennstäben ein Kühl­ mittel zuführbar ist, und mit einem Brennelementka­ sten (8), der das Bündel der Brennstäbe umgibt und einen unteren Endteil hat, der den Umfang der unteren Gitterplatte (4) umgibt unter Begrenzung eines Kühl­ mittelleckkanals (17) zwischen der unteren Gitter­ platte (4) und dem Brennelementkasten (8), wobei die untere Gitterplatte (4) zwei Paare beabstandeter äu­ ßerer Seitenflächen aufweist, wobei die jeweiligen Seitenflächen jedes der zwei Paare einander gegenüber angeordnet sind, gekennzeichnet durch
mindestens eine Venturi-Düse in mindestens einem von vier Bereichen der Passage für den Kühlmittelleck­ strom, wobei eine Venturi-Düse jeweils von einer der sich gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen der un­ teren Gitterplatte (4) und dem Brennelementkasten (8) gebildet wird und eine Kraft erzeugt, die auf einen Teil des Brennelementkastens (8) wirkt und diesen an die untere Gitterplatte (4) anzieht, und durch eine erste und/oder zweite Einrichtung (12) in der unteren Gitterplatte zur Unterdrückung von Schwingungen des Brennelementkastens,
wobei die erste Einrichtung aus einer Anordnung der Venturi-Düsen besteht, derart, daß nur einer der sich gegenüberliegenden beiden Bereiche eine Venturi-Düse bildet, oder falls beide der sich gegenüberliegenden Bereiche eine Venturi-Düse bilden, die Anordnungen der Venturi-Düsen in den sich gegenüberliegenden Be­ reichen voneinander verschieden sind, und
die zweite Einrichtung aus einer Anordnung von minde­ stens einem Vorsprung (31, 31A bis 31F) in einer Sei­ tenfläche der unteren Gitterplatte (4) besteht, wobei die Höhe des Vorsprungs derart gewählt ist, daß der Kühlmittelstrom gebremst jedoch nicht die Erzeugung der anziehenden Kraft beeinträchtigt wird.

2. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung dadurch gebildet ist, daß die Venturi-Düsen einander gegenüberliegender Berei­ che jeweils verschieden positioniert sind.

3. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der vier Bereiche eine Venturi-Düse an­ geordnet ist.

4. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (31) in der unteren Git­ terplatte (4G) so vorgesehen ist, daß sie in dem Kühlmittelleckkanal (17) an der Abstromseite der Ven­ turi-Düse positioniert ist.

5. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Gitterplatte (4A) eine äußerste Kühl­ mittelzuführöffnungen (18) umfassende Einrichtung aufweist, die Kühlmittelströme erzeugt, die einen Austritt des Kühlmittels durch den Kühlmittelleckka­ nal (17) unterdrücken.

6. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem einer äußeren Seiten­ fläche (41A) der unteren Gitterplatte (4) nächstlie­ genden Teil der Innenumfangsfläche jeder äußersten (18) der Kühlmittelzuführöffnungen und dieser äußeren Seitenfläche kleiner als die Dicke einer Seitenwand der unteren Gitterplatte (4) ist.

7. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem einer äußeren Seiten­ fläche (41A) der unteren Gitterplatte (4) nächstlie­ genden Teil der Innenumfangsfläche jeder äußersten (18) der Kühlmittelzuführöffnungen und der Mittenach­ se der unteren Gitterplatte (4) größer als der Ab­ stand zwischen einer inneren Seitenfläche der unteren Gitterplatte und der Mittenachse der unteren Gitter­ platte ist.

8. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Gitterplatte (4) eine Vielzahl von Brennstabbefestigungsöffnungen (45) aufweist, in die die Unterenden der Brennstäbe (5) jeweils eingeführt sind, und jede äußerste (18) der Kühlmittelzuführöff­ nungen mit einem Teil an der Außenseite der äußersten Brennstabeinführöffnungen (45) positioniert ist.

9. Brennstoffkassette nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede äußerste (18) der Kühlmittelzuführöffnungen einen Teil (18b), der außerhalb der äußersten Brenn­ stabeinführöffnungen (45) positioniert ist, und einen anderen Teil (18a), der zwischen jeweils zwei benach­ barten äußersten Brennstabeinführöffnungen (45) posi­ tioniert ist, aufweist, wobei die horizontale Breite des einen Teils (18b) größer als die des anderen Teils (18a) ist.