DE4108767A1 - Brennelement fuer kernreaktoren, insbesondere des typs fdwr, und kernstruktur mit einem solchen brennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Kernreakto­ ren, insbesondere für höher konvertierende, untermoderiert betriebene Kernreaktoren des Typs FDWR (= fortschrittlicher Druckwasserreaktor),

• - mit einem Bündel von Stäben, umfassend Brennstäbe und gegebenenfalls Skelettstäbe und Steuerstabführungsrohre,
• - und mit einer Haltestruktur für die Stäbe,
• - wobei die Stäbe unter Zugrundelegung einer hexagonalen Gitterteilung zu einander achsparallel und zueinander beabstandet durch die Haltestruktur gehalten sind, so daß zwischen den Stäben Durchflußkanäle für ein der Moderation und Kühlung dienendes Fluid gebildet sind.

Ein solches Brennelement ist z. B. durch die EP-B1 00 81 428 bekannt. Entsprechend der hexagonalen Gitterteilung wird das Brennstabbündel von einer im Querschnitt sechseckigen Kassette umgeben.

Die bekannte Brennelementkassette ist für einen untermoderierten Kernreaktor vorgesehen, deren Konversionsfaktor höher liegt als bei Standard-Druckwasserreaktoren. Bekanntlich nennt man den Aufbau von spaltbaren Kernen (z:b. Pu 239) aus einem aus thermischen Neutronen nicht spaltbaren Brutstoff (z. B. U238) "Brüten" oder "Konversion". Als Konversions- oder Brutfaktor c wird definiert der Quotient aus der Zahl der pro Sekunde erzeugten spaltbaren Kerne durch die Zahl der pro Sekunde verbrauchten spaltbaren Kerne. Wenn C größer 1 ist, spricht man von einem Brutreaktor oder Brüter. Wenn C kleiner als 1 ist, jedoch größer als beim Standard-Druckwasserreaktor, spricht man von einem hochkonvertierenden Leichtwasserreaktor, dessen wesentliches Merkmal darin besteht, daß er ein - ver­ glichen mit dem Standard-Druckwasserreaktor - kleines Verhält­ nis Wasser zu Brennstoff habt. Die geforderten Packungsdichten lassen sich nur durch Brennstabanordnungen in Dreieckteilung bzw. hexagonaler Gitterteilung erzielen, was zu Brennelementen mit hexagonalem Querschnitt führt, wie es z. B. die vorerwähnte DE-B1 zeigt. Derartige Brennelemente erfordern, bezogen auf bisherige Leichtwasserreaktoren des Typs SWR oder DWR, Neu­ konstruktionen für die Kernumfassung, die Gitterplatte, die Steuerelementführung, den Deckel des Reaktordruckbehälters, die Einbauten im Brennelementlagerbecken und die Greifwerk­ zeuge, um nur die wichtigsten Komponenten zu erwähnen.

Denkt man an eine Umrüstung eines DWR in einen FDWR, so ist diese sehr zeit- und kostenintensiv, weil außer dem Kern auch noch die vorgenannten Komponenten ausgetauscht werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die hexagonale Gitterteilung eines Brennelementes für hochkonvertierende Kern­ reaktoren aufweist, welches aber in seiner Außengeometrie so gestaltet ist, daß es mit den Standard-Brennelementen von Leichtwasserreaktoren, insbesondere Druckwasserreaktoren, kompatibel ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst,

• - daß die Umrißlinie des Brennelementquerschnitts quadratisch und die Außengeometrie des Brennelements quaderförmig ist,
• - daß einem ersten, durch zwei einander gegenüberliegende Längsseiten des Brennelements gebildeten Längsseitenpaar im Querschnitt sechseckige, jeweils sieben Stäbe umfassende Teilbündel mit je einer ihrer sechs flachen Seiten zugewandt sind,
• - wogegen diese Teilbündel dem um 90° zum ersten Längsseiten­ paar gedrehten zweiten Längsseitenpaar mit je einer ihrer Sechseckspitzen zugewandt sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen Brennelementes sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Kernstruktur, dem ein Brennelement nach einem der vorerwähnten Ansprüche 1 bis 9 zugrundegelegt ist, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Querschnitts-Umrißlinie des Brennelements derjenigen eines eine quadratische Gitterteilung aufweisenden Standard-Brenn­ elementes für Druckwasserreaktoren entspricht, so daß ein kompatibles Umrüst-Brennelement hexagonaler Gitterteilung gebildet wird und - über den Kernquerschnitt eines Druck­ wasserreaktors gesehen - Brennelementpositionen sowohl mit den Standard-Brennelementen als auch den Umrüst-Brennelementen besetzbar sind (Anspruch 10).

Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Kernstruktur sind in den Patentansprüchen 11 bis 13 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß nun eine Umrüstung eines Druckwasserreaktors in einen Kernreaktor des Typs FDWR einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden kann. Mit Brennelementen nach der Erfindung kann der Übergang von einem DWR über ein Testbett für wenige FDWR-Brennelemente zu einem vollständigen FDWR-Kern stufenweise erfolgen. Da sich auch die Rückrüstung zu einem herkömmlichen DWR nur auf den Austausch von Brennelementen mit einheitlicher Geometrie beschränkt, ist das finanzielle Risiko auf die Kosten nicht vollständig ausgenutzter Brennelemente begrenzt. Die gemachten Ausführungen bezüglich der verbesserten und erleichterten Umrüstung eines Standard-DWR in einen FDWR gelten sinngemäß auch für Leichtwasserreaktoren des Typs SWR, wenngleich die bevorzugte Ausgangs-Ausführung zur Anwendung der Erfindung ein Leichtwasserreaktor des Typs DWR ist, weil.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung, in welcher mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt sind, diese, weitere Merkmale und Vorteile sowie die Wirkungsweise näher erläutert.

Es zeigt in teils vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein erstes Brennelement nach der Erfindung im Quer­ schnitt, wobei die hexagonale Gitterteilung durch strichpunktierte Rasterlinien und lediglich ein Teil der Brennstäbe mit ihren Umrißinien dargestellt sind;

Fig. 2 in entsprechender Darstellung zu Fig. 1 ein zweites Brennelement nach der Erfindung, dessen Brennelement­ bündel von einem Brennelementkasten umgeben ist;

Fig. 3 aufgeteilt in die beiden Figurenhälften 3A und 3B, ein drittes Brennelement nach der Erfindung in aus führ­ licherer Querschnittsdarstellung mit zwei U-förmigen Halbschalen für den Brennelementkasten, wobei zusätz­ lich die Steuerstäbe und weitere Skelett- bzw. Stütz­ stäbe dargestellt sind und wobei zwei einander gegen­ überliegende Wände des Brennelementkastens in Anpassung an die Kontur des Brennelementbündels mit Längssicken versehen sind;

Fig. 4 einen Kernquerschnitt, dessen Kernstruktur Brennelemente nach dem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) aufweist, und

Fig. 5 im Ausschnitt eine Umrüst-Konfiguration für eine Kern­ struktur, welche teils aus DWR- und teils aus FDWR­ Brennelementen besteht, wobei diese beiden Typen von Brennelementen in ihrer Außengeometrie kompatibel und, was die Durchströmungsverhältnisse angeht, aufeinander abgestimmt sind.

Das Brennelement BE1 nach Fig. 1 weist ein Bündel B von all­ gemein mit b bezeichneten Brennstäben auf. In dieser verein­ fachten Darstellung sind die Brennelementhaltegitter, Kopf- und Fußstücke sowie Skelett-oder Stützstäbe, welche die Halte­ struktur des Brennelementes BE1 bilden, nicht dargestellt. Die Brennstäbe b sind unter Zugrundelegung einer hexagonalen Gitter­ teilung GT zueinander achsparallel und zueinander beabstandet durch die (nicht näher dargestellte) Haltestruktur gehalten, so daß zwischen den einzelnen Brennstäben b Durchflußkanäle I für ein der Moderation und Kühlung dienendes Fluid, dabei kann es sich um leichtes und/oder schweres Wasser handeln, gebildet sind. Die Umrißlinie 2 des Brennelementquerschnitts ist quadratisch, so daß die Außengeometrie des Brennelementes BE1 quaderförmig ist. Damit nun das Brennelementbündel B mit seiner hexagonalen Gitterteilung GT in die quadratische Umrißlinie 2 paßt, sind jeweils sieben Stäbe umfassende Teilbündel B1, wovon eines in der linken oberen Ecke in Fig. 1 durch verstärkte Linien hervorgehoben ist, mit zwei, einander gegenüberliegenden Flachseiten B11 und B14 der Längsseite 2a bzw. der Längsseite 2c des aus zwei gegenüberliegenden Längsseiten 2a, 2c bestehen­ den Längsseitenpaares des Brennelementes BE1 zugewandt. Das andere Paar der einander gegenüberliegenden Längsseiten des Brennelements BE1 ist mit 2b und 2d bezeichnet. Diesem zweiten Längsseitenpaar 2b-2d sind das Teilbündel B1 (und entsprechend die übrigen nicht näher dargestellten Teilbündel) mit je einer ihrer Sechseckspitzen 3 zugewandt. Die übrigen Flachseiten des Teilbündels B1 sind mit 012, 013, 015, 016 bezeichnet.

Das in Fig. 1 dargestellte kastenlose Brennelement enthält 538 Brennstäbe b; seine Längsseiten 2a, 2c sind 229,6 mm und seine Längsseiten 2b, 2d ebenfalls 229,6 mm lang; es hat also einen quadratischen Querschnitt, welcher auf die Standard-Abmessungen eines DWR abgestimmt ist. Für die folgenden Ausführungen seien die einander kreuzenden Gitterlinien des hexagonalen Gitter­ rasters mit u und v und die Gitterlinien eines fiktiven Recht­ eckrasters x/y mit x und y bezeichnet, wobei x paralell zu 2b, 2d und y parallel zu 2a, 2c verläuft. Ein einzelner Brennstab, z. B. b1, hat einen Durchmesser von 8,5 mm; wenn man sich will­ kürlich drei einander benachbarte Brennstäbe b2 bis b4 aus der hexagonalen Gitterteilung u/v herausgreift, so ist der (nicht maßstabsgerecht dargestellte) Achsabstand ul = b2-b3 = 10,51 mm, der Achsabstand yl = b3-b4 = 10,43 mm und der Achsabstand vl = b4-b2 wieder 10,51 mm. Das Brennelementgitter bzw. sein Gitter u/v ist also in Richtung y geringfügig "plattgedrückt", aber nur in so geringem Maße, daß der Eindruck der Gleichseitigkeit der Dreiecke hervorgerufen wird, obgleich es sich nur um (erste) gleichschenklige Dreiecke handelt. Es kann also trotzdem von einer hexagonalen Gitterstruktur gesprochen werden. In y-Rich­ tung ist die Brennstabteilung durch die Stabzahl und die Außen­ abmessung eines vergleichbaren DWR-Brennelementes festgelegt. In x-Richtung ist die Teilung entsprechend angepaßt, so daß das Brennelementbündel B an den (gedachten geraden Linien für die) Längsseiten 2b, 2d nicht als eine Brennstab-Flucht anliegt oder dieser Längsseite zugewandt ist, sondern mit den Basen (zweiter) gleichschenkliger Dreiecke. Ein solches zweites gleichschenk­ liges Dreieck ist zur Illustration mit b5, b6 und b7 bezeichnet. Da der Spitzenwinkel dieser zweiten gleichschenkligen Dreiecke nicht 60°, sondern praktisch 120 beträgt, so ergeben sich jeweils für die beiden Brennstäbe b5, b7, welche die Basislinie definieren, vergrößerte Abstände und dementsprechend Hohlräume 4 im Randbereich. Obwohl eine kastenlose Brennelement-Bauweise nach Fig. 1 grundsätzlich möglich ist, so ist die bevorzugte Bauform diejenige mit Brennelementkasten, wie sie im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert wird.

Geht man davon aus, daß der Brennelementkasten 5 (im folgenden abgekürzt: Kasten) die Gesamtlänge eines DWR-Brennelementes aufweist, kann man eine beliebige axiale Anordnung des FDWR­ Brennelementes BE2 im Kernbereich eines zum Teil mit DWR- und zum Teil mit FDWR-Brennelementen beladenen Kernes bewerkstelligen. Das in Fig. 2 dargestellte Brennelement BE2 weist keine Steuer­ stabführungsrohre auf; deshalb wird es bei einer sogenannten Mischbeladung an den Kernpositionen eines DWR-Kerns eingesetzt, welche nicht von Steuerelementen befahren werden. Der Brenn­ elementkasten 5 ist insofern von besonderer Bedeutung, als er wegen des aufgrund der höheren Packungsdichte auch größeren Druckverlustes zur Zwangsdurchströmung des Bündels B vorteil­ haft ist. Deswegen (zur Vermeidung zu hohen Druckverlustes) kann das Brennelementbündel B (auch dasjenige nach Fig. 1) und dementsprechend das FDWR-Brennelement BE1 bzw. dasjenige nach Fig. 2 (BE2) deutlich axial kürzer ausgeführt werden als ein DWR-Standard-Brennelement.

Die Außenabmessungen des Brennelements BE2 sind so, wie sie durch die Umrißlinie 2 beim Brennelement BE1 (Fig. 1) gegeben sind, nämlich 229,6·229,6 mm². Wegen der Wandstärke s des Kastens 5 ergeben sich für die Abmessungen der einzelnen Brenn­ stäbe b und ihre Achsabstände geringfügige Änderungen, wozu wieder auf die repräsentativen Brennstäbe b1 bis b4 Bezug genommen wird. Der Außendurchmesser der Brennstäbe, siehe Brenn­ stab b1, beträgt 8,35 mm, die Achsabstände ul = b2-b3, yl = b3-b4 und vl = b4-b2 betragen 10,32 mm, 10,24 mm und wieder 10,32 mm. Das Brennelementbündel B umfaßt die gleiche Anzahl von Brennstäben wie dasjenige nach Fig. 1, namlich 538. Allgemein gilt für das erste und zweite Ausführungsbeispiel (Fig. 1 und 2), daß der Achsabstand yl jeweils zweier ein­ ander benachbarter Brennstäbe b3, b4, die auf einer gemein­ samen, parallel zu einer Längsseite 2a, 2c verlaufenden Gitterlinie y eines Rechteckrasters x/y liegen, sich unter­ scheidet von den einander gleichen Achsabständen ul und vl eines Brennstabs b2 zu den beiden ihm benachbarten, auf Gitterlinien u bzw. v des hexagonalen Gitterrasters u/v liegenden Brennstäben b3, b4, so daß abweichend von einem normalen, aus gleichseitigen Dreiecken zusammengesetzten hexagonalen Gitterraster ein aus gleichschenkligen Dreiecken bestehender Gitterraster u/v gebildet ist.

Insbesondere ist, wie bereits beschrieben, die Anordnung so getroffen, daß die Basis b3-b4 der gleichschenkligen Dreiecke etwas kleiner ist als ihre Schenkellänge b2-b3 bzw. b2-b4. Auf diese Weise "paßt" die hexagonale Struktur in die vorgegebene Fläche des quadratischen Brennelements.

Beim dritten Ausführungsbeispiel eines Brennelementes BE3 nach Fig. 3 ist der Brennelementkasten als Sonderkonstruktion aus­ geführt. Dieser besteht aus ersten Umfassungsblechabschnitten 5a, 5c, welche die beiden einander gegenüberliegenden Längs­ seiten 2a, 2c des ersten Längsseitenpaars begrenzen und als weitgehend plane Bleche ausgebildet sind. Ferner besteht der Kasten 5 aus zweiten Umfassungsblechabschnitten 5b, 5d, welche die beiden Längsseiten 2b, 2d des zweiten Längsseitenpaares begrenzen und welche mit Längssicken 6 versehen sind, deren Wellenkontur an die Wellenkontur der jeweils anliegenden oder Zugewandten äußersten Stabreihe angepaßt ist. Bei diesem Beispiel ist der Durchmesser eines einzelnen Brennstabs b d = 8,1 mm, die Teilung t der Brennstäbe, das heißt ihre Achsabstände, beträgt t = 9,6 mm und ist für die Achsabstände eines willkürlich herausgegriffenen Brennstab-Dreiecks gleich. Die mit SW (Stützweite) bezeichnete Kantenlänge des Brenn­ elements BE3 beträgt 215,2 mm, die Teilung T des Brennelement- Führungsgitters 7 beträgt 215,6 mm. Die Wandstärke des Kastens 5 beträgt s = 2 mm. Durch das Führungsgitter 7 werden quadrati­ sche Gitterzellen GZ gebildet, an denen die Brennelemente BE3 geführt sind.

Der Brennelementkasten 5 besteht aus zwei U-förmigen Halb­ schalen 5.1 und 5.2, deren Schenkel 50, 51 (Halbschale 5.1) und 52, 53 (Halbschale 5.2) an ihren freien Enden Scharnier­ augen 8 aufweisen. Die beiden Halbschalen 5.1, 5.2 des Kastens 5 sind mit ihren axial gegeneinander versetzten Scharnieraugen 8 ihrer einander zugewandten Schenkelpaare 50-52 bzw. 51-53 fluchtend ineinandergefügt und mittels durch die Scharnier­ augen 8 hindurchgesteckter Stützstäbe 9 zum Brennelementkasten 5 miteinander gekuppelt. Die Scharnieraugen 8 sind auf der halben Breite der weitgehend planen, die Schenkel 50 bis 53 bildenden Umfassungsblechabschnitte angeordnet. Wie man erkennt, besitzen die Scharnieraugen 8 jeweils die Stabposition eines der Stäbe b der jeweils äußersten Stabreihe des Brennelement­ bündels B und stimmen in ihrem Außendurchmesser mit dem Außen­ durchmesser eines der Stäbe b weitgehend überein. Bei dieser Brennelement-Konstruktion werden 515 Brennstäbe b und 20 Steuerstab-Führungsstäbe c an den Enden durch (nicht darge­ stellte) Kopf- und Fußstücke und auf den Längsseiten durch den beschriebenen Kasten 5 zusammengehalten. Der aus Blech bestehen­ de Kasten 5 ist, wie erwähnt, aus den beiden U-förmigen Halb­ schalen 5.1, 5.2 mittels der Stützstäbe 9, die in die einander gegenüberliegenden Scharniere eingefügt sind, zusammengesetzt. Die beiden durchgehenden Längsseiten 2b, 2d sind durch die Längssicken 6 versteift, die zusammengesetzten Längsseiten 2a, 2c besitzen eine weitgehend plane Oberfläche. Der Kasten 5 weist rundum (nicht ersichtliche) Druckausgleichslöcher auf. Da die Längsseiten des Brennelementes BE3 damit paarweise verschiedene Oberflächen haben, müssen zueinander benachbarte bzw. anstoßende Brennelemente BE3 um 90° zueinander verdreht eingebaut werden.

Durch willkürliches Herausgreifen eines jeweils sieben Brenn­ stäbe umfassenden Teilbündels B1 erkennt man wieder, daß diese Teilbündel mit zwei einander gegenüberliegenden Sechseckseiten dem aus den beiden einander gegenüberliegenden Längsseiten 2a und 2c gebildeten ersten Längsseitenpaar zugewandt sind und daß diese Teilbündel dem um 90° zum ersten Längsseitenpaar 2a-2c gedrehten zweiten Längsseitenpaar 2b-2d jeweils mit zweien ihrer Sechseckspitzen zugewandt sind.

Die Ausführung des Brennelements BE3 nach Fig. 3 stellt gleichfalls ein quadratisches Umrüstelement für einen Druck­ wasserreaktor dar, wobei Kerngerüst, Druckgefäßdeckel, Kontrollstabantriebe, Brennelement-Wechselmaschine und die Gestelle im Brennstofflager des Druckwasserreaktors im Prinzip weiterverwendet werden können.

Fig. 4 zeigt im vereinfachten Querschnitt einen Kernreaktor­ druckbehälter 10 mit einer Kernstruktur 11 in seinem Inneren, die ein quadratisches Gittermuster aufweist. Es können 177 Brennelemente des Typs BE3 (Fig. 3) im Äquivalent-Durchmesser 12 untergebracht werden. Die mit BE30 bezeichneten Brenn­ elemente, 48 an der Zahl, sind mit Steuerstabantrieben aus­ gerüstet. Bei gleichmäßiger Verteilung der Steuerstäbe auf alle Brennelemente und Verwendung aller 48 DWR-Antriebs­ positionen werden entweder drei oder vier Brennelemente durch einen gemeinsamen Steuerstabantrieb reguliert. Die Achsen der Steuerstabantriebe sind durch dunkle Kreise 13 innerhalb der betreffenden Brennelemente BE30 markiert. Die Kernstruktur 11 wird von einem Abschirmschild 14 mantelseitig umfaßt, diese besteht aus einzelnen Abschirmelementen, die sich der Kontur der Kernstruktur 11 anpassen und entweder flache Anlageseiten haben (Abschirmelemente 14.1) oder dreieckförmige (Abschirm­ elemente 14.2).

Die Kernstruktur 11, welche noch von (nicht dargestellten) Kernumfassungsblechen umfaßt wird, und der sie umgebende Abschirmschild 14 sind innerhalb eines Kernbehälters 15 unter­ gebracht, der z. B. im Bereich des Deckelflansches des Reaktor­ druckbehälters 10 mit einem eigenen Tragflansch gehalten wird (nicht näher dargestellt).

Fig. 5 zeigt, daß man insbesondere mit Brennelementen des Typs BE2 oder BE3 (Fig. 2 und 3) eine Misch-Brennelement­ struktur bei einem Druckwasserreaktor ausbilden kann. In Fig. 5 ist eine Übergangsstruktur dargestellt, bestehend aus den Standard-DWR-Brennelementen D1, den DWR-Brennelementen D2 halber Länge und den DWR-Brennelementen D3, deren axiale Länge ein Viertel der Länge der Brennelemente D1 beträgt. Den DWR- Brennelementen liegt die (übliche) Rechteck-Gitterteilung ihrer Stäbe zugrunde. Diese DWR-Brennelemente D1, D2, D3 sind innerhalb der Kernstruktur 11 gemischt mit FDWR-Brennelementen verkürzter Länge in ein entsprechendes (nicht dargestelltes) Brennelementhaltegitter eingefügt, und zwar FDWR-Brennelemente F1 mit im Vergleich zu D1 halber axialer Länge. Die Querschnitts- Umrißlinien der DWR-Brennelemente D1 bis D3 und diejenige der FDWR-Brennelemente F1 stimmen miteinander überein, so daß durch die FDWR-Brennelemente F1 kompatible Umrüst-Brennelemente hexagonaler Gitterteilung gebildet werden und - wie anhand der Fig. 5 erkennbar, und über den Kernquerschnitt eines Druck­ wasserreaktors vorgesehen - Brennelementpositionen sowohl mit den Standard-Brennelementen D1, den verkürzten DWR-Brennelemen­ ten D2, D3 als auch mit den Umrüst-Brennelementen F1 besetzbar sind. Wie man weiterhin aus Fig. 5 erkennt, sind - bezogen auf die normierte axiale Maximallänge ML = 1 eines Standard- DWR-Brennelementes D1 quadratischer Teilung für Druckwasser­ reaktoren - dieses Standard-Brennelement D1 und das kompatible Umrüst-Brennelement hexagonaler Teilung als DWR- und FDWR-Teil­ brennelemente mit verschiedenen Teillängen TL = 1/2, 1/3, 1/4 die einen Bruchteil der normierten Maximallänge ML ausmachen, ausgeführt, so daß auf ausgewählten Brennelementpositionen DWR­ und FDWR-Teilbrennelemente axial aneinanderreihbar sind, welche sich zur normierten Maximallänge ML ergänzen. So können z. B. je ein DWR- und ein FDWR-Teilelement der Teillänge TL = 1/2 ein axial kombiniertes Brennelement der Gesamtlänge ML = 1 ergeben, wie es anhand der beiden axial zueinander benach­ barten Teilelemente F1/D2 an zwei Stellen gezeigt ist. Es ist auch möglich, daß ein FDWR-Teilelement der Teillänge TL = 1/2 und je ein kopf- und fußseitig an dieses FDWR-Teilelement angesetztes DWR-Teilelement der Teillänge TL = 1/4 zu einem Brennelement der Gesamtlänge ML = 1 zusammensetzbar sind, wie es die axiale Kombination D3/F1/D3 im rechten Teil der Fig. 5 zeigt. Auch eine umgekehrte Kombination F2 (halbe Länge von F1) /D2 (halbe Länge von D1) /F2 wäre möglich. Auf diese Weise kann man einen mit Standard-DWR-Brennelementen besetzten Kern derart umrüsten, daß aus einem DWR ein FDWR wird; diese Um­ rüstung muß aber nicht schlagartig erfolgen, sie kann in mehreren Etappen oder Stufen, wenn der jeweilige Brennelement­ wechsel fällig ist, erfolgen, so daß auf diese Weise die Brennstoffökonomie des Kernreaktors gesteigert werden kann, weil bekanntlich die FDWR-Brennelemente sowohl Spaltstoff- als auch Brutstoff-Brennstäbe enthalten und so im untermoderierten Betrieb mit einem epithermischen Neutronenspektrum z. B. eine Konversion des U 238 in Plutonium 239 erfolgen kann. Das ge­ wonnene Plutonium 239 kann dann wieder zu Mischoxid-Brenn­ elementen verarbeitet werden, welche in konventionellen Druckwasserreaktoren einsetzbar sind.

Claims (13)

1. Brennelement für Kernreaktoren, insbesondere für höher konvertierende, untermoderiert betriebene Kernreaktoren des Typs FDWR,

• - mit einem Bündel (B) von Stäben, umfassend Brennstäbe (b) und gegebenenfalls Skelettstäbe (9) und Führungsrohre für Steuerstäbe (c)
• - und mit einer Haltestruktur für die Stäbe (b, 9, c),
• - wobei die Stäbe unter Zugrundelegung einer hexagonalen Gitterteilung (GT) zu einander achsparallel und zueinander beabstandet durch die Haltestruktur gehalten sind, so daß zwischen den Stäben (b, 9, c) Durchflußkanale (1) für ein der Moderation und Kühlung dienendes Fluid gebildet sind, mit den weiteren Merkmalen,
• - daß die Umrißlinie (2) des Brennelementquerschnitts quadra­ tisch und die Außengeometrie des Brennelements (BE1, BE2, BE3) quaderförmig ist,
• - daß einem ersten, durch zwei einander gegenüberliegende Längs­ seiten (2a, 2c) des Brennelements gebildeten Längsseitenpaar im Querschnitt sechseckige, jeweils sieben Stäbe (b) umfassen­ de Teilbündel (B1) mit zweien ihrer sechs flachen Seiten B11, B14) zugewandt sind,
• - wogegen diese Teilbündel (B1) dem um 90° zum ersten Längs­ eitenpaar (2a-2c) gedrehten zweiten Längsseitenpaar (2b-2d) mit zweien ihrer Sechseckspitzen (3) zugewandt sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Achs­ abstand (yl) jeweils zweier einander benachbarter Brennstäbe (b3, b4), die auf einer gemeinsamen, parallel zu einer Längs­ seite (2a, 2c) verlaufenden Gitterlinie (y) eines Rechteck­ rasters x/y liegen, sich unterscheidet von Gen einander gleichen Achsabständen (ul) und (vl) eines Brennstabs (b2) zu den beiden ihm benachbarten, auf Gitterlinien (u) bzw. (v) des hexagonalen Gitterrasters (u/v) liegenden Brennstäben (b3, b4), so daß abweichend von einem normalen, aus gleichseitigen Dreiecken zusammengesetzten hexagonalen Gitterraster ein aus gleichschenkligen Dreiecken bestehender Gitterraster (u/v) gebildet ist.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (b3-b4) der gleichschenkligen Dreiecke etwas kleiner ist als ihre Schenkellänge (b2-b3) bzw. (b2-b4).

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine Stäbe (b, b, c) mit einem Brennelementkasten (5) ummantelt sind.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß erste Umfas­ sungsblechabschnitte (5a, 5c), welche die beiden Längsseiten (2a, 2c) des ersten Längsseitenpaares (2a-2c) anliegen, als weitgehend plane Bleche ausgeführt sind und zweite Umfassungs­ blechabschnitte (5b, 5a), welche die beiden Längsseiten (2b, 2d) des zweiten Längsseitenpaares (2b-2d) begrenzen und mit Längssicken (6) versehen sind, deren Wellenkontur an die Wellenkontur der jeweils anliegenden äußersten Stabreihe angepaßt ist.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfassungsbleche (5a-5d) den Brennelementkasten (S) bilden.

7. Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ elementkasten (5) aus zwei U-förmigen Halbschalen (5.1, 5.2) zusammengesetzt ist, deren Schenkel (50-53) an ihren freien Enden Scharnieraugen (.8) aufweisen, und daß die beiden Halbschalen (5.1, 5.2) mit axial gegeneinander versetzten Scharnieraugen (8) ihrer beiden Schenkel fluchtend ineinander fügbar und mittels durch die Scharnieraugen hindurchsteckbarer Stützstäbe (9) zum Brennelementkasten (5) miteinander kuppel­ bar sind.

8. Brennelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scharnieraugen (8) auf der halben Breite der weitgehend planen ersten Umfassungsblechabschnitte (5a, 5c) angeordnet sind.

9. Brennelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scharnieraugen (8) die Stabposition eines Stabes (b) der jeweils äußersten Stabreihe des Brennelementbündels (B) besetzen und in ihrem Außendurchmesser mit demjenigen eines Stabes (b) weitgehend übereinstimmen.

10. Kernstruktur mit einem Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitts-Umrißlinie (2) des Brennelements (BE2, BE3) derjenigen eines eine quadratische Gitterteilung aufweisenden Standard-Brennelements für Druckwasserreaktoren entspricht, so daß ein kompatibles Umrüst-Brennelement hexagonaler Gitter­ teilung gebildet wird und - über den Kernquerschnitt eines Druckwasserreaktors gesehen - Brennelementpositionen sowohl mit den Standard Brennelementen als auch den Umrüst-Brenn­ elementen besetzbar sind.

11. Kernstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß - bezogen auf die normierte axiale Maximallänge ML = 1 eines Standard- Brennelements (D1) quadratischer Teilung für Druckwasser­ reaktoren - dieses Standardbrennelement und das kompatible Umrüst-Brennelement (F1) hexagonaler Teilung als DWR- und FDWR-Teilbrennelemente mit verschiedenen Teillängen TL = 1/2, 1/3, 1/4 . die einen Bruchteil der normierten Maximallänge ML ausmachen, ausgeführt sind, so daß auf ausgewählten Brenn­ elementpositionen DWR- und FDWR-Teilbrennelemente (D1-D3; F1) axial aneinanderreihbar sind, welche sich zur normierten Maximallänge ML ergänzen.

12. Kernstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß je ein DWR- und FDWR-Teilelement (D2, F1) der Teillänge TL = 1/2 ein axial kombiniertes Brennelement (D2/F1) der Gesamtlänge ML = 1 ergeben.

13. Kernstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein FDWR-Teilelement (F1) der Teillänge TL = 1/2 und je ein kopf­ und fußseitig an dieses DWR-Teilelement angesetztes DWR-Teil­ element (D3) der Teillänge TL = 1/4 zu einem Brennelement der Gesamtlänge ML = 1 zusammensetzbar sind.