DE4117623A1 - Brennelement fuer leichtwasserreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren, und kernstruktur daraus - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Leichtwas­ serreaktoren, insbesondere für Heizreaktoren, bestehend aus mehreren axial aneinanderreihbaren Teilbrennelementen polygo­ nalen Querschnitts, deren jedes ein Bündel von Brennstäben sowie kopf- und fußseitig je eine Endplatte umfaßt.

Ein solches Brennelement ist durch die DE-AS 11 95 877 bekannt. In dieser Schrift ist eine Brennelementsäule beschrieben, deren einzelne Teilbrennelemente Rundquerschnitt aufweisen und mittels Halbring-Kupplungen an ihren kopf- und fußseitigen Enden miteinander gekuppelt werden können. Die Endplatten sind als Kreisscheiben ausgeführt; es findet sich jedoch auch ein Hinweis darauf, daß anstelle kreisscheibenförmiger Endplatten eliptische oder eckige Platten verwendet werden können, z. B. rechteckige Platten oder solche in der Form regelmäßiger Viel­ ecke, insbesondere Quadrate, Sechs-, Acht- oder Zwölfecke. Aufgrund der Kupplungen zwischen den Teilbrennelementen kann die Reihenfolge letzterer innerhalb der Brennelementsäule geändert werden, was im Interesse eines gleichmäßigen Abbrandes und einer Vergleichmäßigung der Flußverteilung in axialer und radialer Richtung von Vorteil ist. Ein Hinweis darauf, daß die Teilbrennelemente auch gewendet, d. h. ihre kopf- und fußseiti­ gen Endplatten in ihrer Position miteinander vertauscht werden können, findet sich in der genannten DE-AS nicht. Auch ein Ver­ drehen der Teilbrennelemente relativ zueinander ist wegen der vorgegebenen Position der Kupplungsringhälften in bezug auf die Brennelementwechselmaschine nicht gegeben und nicht beabsich­ tigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Brennelement für Leichtwasserreaktoren der eingangs genannten Art, dieses so auszubilden, daß seine Teilbrennelemente nicht nur verschiedene Axialpositionen innerhalb der Brennelement­ säule einnehmen können, sondern dessen Teilbrennelemente auch gewendet und innerhalb der Kerngitterstruktur auch verdreht werden können. Eine der Erfindung zugrundeliegende Unterauf­ gabe besteht darin, die Manipulierbarkeit der Brennelemente unter beengten räumlichen Verhältnissen, insbesondere beim Brennelementwechsel von kompakt aufgebauten Heizreaktoren, und die Vergleichmäßigung des Abbrandes über die Kernhöhe gesehen zu verbessern. Weiterhin soll ein einfacher, kostengünstiger Aufbau des Brennelementes bzw. seiner jeweiligen Teilbrenn­ elemente gewährleistet sein, der einerseits fertigungsgerecht sein, andererseits aber auch die spätere leichte Zerlegbarkeit berücksichtigen soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein Brennelement für Leichtwasserreaktoren, insbesondere für Heizreaktoren, bestehend aus mehreren axial aneinanderreihbaren Teilbrennelementen polygonalen Querschnitts, deren jedes ein Bündel von Brennstäben sowie kopf- und fußseitig je eine End­ platte umfaßt, mit den folgenden weiteren Merkmalen:

• a) Die beiden Endplatten jedes Brennelementes sind gleichartig ausgebildet und in ihrer Funktion als Kopfplatte oder Fuß­ platte vertauschbar, so daß durch Wenden eines Teilbrenn­ elementes eine kopfseitige Endplatte die Position und Funk­ tion einer fußseitigen Endplatte und umgekehrt einnimmt, und
• b) die beiden Endplatten des Teilbrennelementes sind mittels Skelett-Elementen starr miteinander verbunden, wobei die Skelett-Elemente als langgestreckte Zuganker ausgebildet sind, sich jeweils über die Länge des Teilbrennelementes erstrecken und so den Abstand der beiden Endplatten zuein­ ander fixieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 21 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß ein Stapel- und Wende-Brennelement geschaffen worden ist, welches aufgrund der vielfältigen Posi­ tionen, die es im Kern eines Leichtwasserreaktors einnehmen kann, einen gleichmäßigen Abbrand und damit eine verbesserte Brennstoffausnutzung sowie eine Vergleichmäßigung der Fluß­ verteilung in axialer und radialer Richtung ermöglicht. Aufgrund seiner verringerten axialen Länge - ein einzelnes Brennelement kann z. B. aus drei axial aufeinandergestapelten Teilbrennelementen zusammengesetzt sein - sind seine axiale Dehnung und sein axialer Schrumpf im Bereich des Betriebstem­ peratur-Bereichs relativ klein, so daß die starre Verbindung der Endplatten mittels als Zuganker ausgebildeten Skelett-Ele­ menten möglich ist.

Grundsätzlich ist das neue Brennelement für Druckwasser-, Siedewasser- oder Schwerwasserreaktoren einsetzbar. Mit beson­ derem Vorteil ist es indessen für Heizreaktoren, die nach dem Siedewasserreaktor-Prinzip arbeiten, geeignet. Demgemäß besteht eine bevorzugte Ausführungsform des Brennelements gemäß Anspruch 2 darin, daß jedes seiner Teilbrennelemente einschließlich des beider Endplatten einen quadratischen Grundquerschnitt aufweist. Unter quadratischer Grundquerschnitt wird verstanden, daß die Ecken des Brennelementes bzw. seiner Teilbrennelemente auch abgerundet oder abgeflacht sein können; eine Abflachung oder eine Einziehung der Eckenkontur wird insbesondere dann vorgesehen, wenn zwischen den Brennelementen in Kreuzungspunkten des Kerngitters Steuerstäbe mit ihren Absorberelementen angeordnet sind. Demgemäß besteht eine bevorzugte Ausgestaltung mit Brennelementen nach der Erfindung und einer Kernstruktur nach Anspruch 19 darin, daß um einen Kreuzspalt vier Brennelemente quadratischen Querschnitts, je eines in einem Quadranten eines mit dem Kreuzspalt zusammen­ fallenden Achsenkreuzes, angeordnet sind und diese Brenn­ element-Vierergruppe mit einem Steuerstab, dessen kreuzförmige Absorberblätter in dem Kreuzspalt entsprechender Spaltweite aufwärts und abwärts bewegbar sind, eine Kernzelle bildet.

Kernzellen bei Siedewasserreaktoren sind in ihrer grundsätz­ lichen Ausführung z. B. bekannt durch das Buch "VGB-Kernkraft­ werks-Seminar 1970", Seite 89, insbesondere Abbildung 2. Eine Kernzelle besteht danach aus einem kreuzförmigen Steuerstab und vier rechteckigen Brennelementkästen.

Ausgehend von einer solchen Kernstruktur, wobei die Kernzelle einen Steuerstab mit hydraulischem Antrieb aufweist und ein Kolben-Zylinder-System des Steuerstabantriebs im Zentrum der Kernzelle angeordnet ist, besteht eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 20 darin, daß die dem Steuerstabantrieb zugewandten Eckenkonturen der Brennelemente bzw. der Teilbrenn­ elemente zwecks Freilassung eines erweiterten Freiraums für den Steuerstabantrieb eingezogen sind.

Nach Anspruch 21 ist die Eckenkontur der Brennelemente bzw. Teilbrennelemente vorzugsweise so weit eingezogen, daß die gewonnene, etwa sektorförmige Querschnittsfläche der normaler­ weise benötigten Querschnittsteilfläche eines Ecken-Brennestabs entspricht. Es wird damit der Raum für robuste hydraulische Steuerstabantriebe gewonnen, deren Kolben-Zylinder-System sich innerhalb des Kerns als sogenannte interne Steuerstabantriebe befinden, wobei die hydraulischen Auftriebskräfte jeweils so dosiert werden können, daß der Steuerstab mit seinen Absorber­ elementen eine gewünschte Axialposition einnimmt. Im Falle eines Abfalls des hydraulischen Drucks nehmen die Steuerstäbe mit ihren Absorberelementen automatisch die in den Kern einge­ fahrene, also die Sicherheitsposition, ein. Der geschilderte Kernstrukturaufbau ist bei Heizreaktoren zur Erzielung einer gewünschten inhärenten Sicherheit bei einfacher Bedienung besonders vorteilhaft, zumal der Wegfall eines Eckenstabs pro Brennelement wegen der relativ geringen Leistungsdichte im Kern von Heizreaktoren als nachteilig nicht ins Gewicht fällt.

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in welcher mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt im zum Teil vereinfachter, schema­ tischer Darstellung:

Fig. 1 ein einzelnes aus drei Teilbrennelementen zusammengesetztes, als Wende- und Stapel-Brennele­ ment ausgeführtes Brennelement nach der Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1;

Fig. 3 ausschnittsweise im Querschnitt eine Kernstruktur in Gestalt einer Kernzelle mit einer ersten Aus­ führungsform eines Brennelementes nach der Erfin­ dung, dessen Skelett-Elemente als gesonderte Zug­ anker in Zwischenräumen zwischen den Brennstäben angeordnet sind;

Fig. 4 den Schnitt nach der Schnittebene IV-IV aus Fig. 3 durch ein Teilbrennelement;

Fig. 5 in entsprechender Querschnittsdarstellung zu Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Brenn­ elementes nach der Erfindung innerhalb der Kern­ struktur einer Kernzelle, wobei als Skelettstäbe und Haltestäbe für ein Abstandshaltegitter ein Teil der Brennstäbe selbst verwendet ist;

Fig. 6 den Schnitt nach der Schnittebene VI-VI aus Fig. 5 durch ein Teilbrennelement;

Fig. 7 einen Teil-Querschnitt durch die obere Endplatte des Teilbrennelements nach Fig. 6 längs der Schnittebene VII-VII;

Fig. 8 im Ausschnitt den Eingriff zwischen den Noppen eines Haltestabes und dem Abstandshaltegitter bei einem Teilbrennelement nach Fig. 5 bis 7;

Fig. 9 die Draufsicht auf das Detail nach Fig. 8;

Fig. 10 in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 3 und 5 eine dritte Ausführungsform eines Brennele­ mentes nach der Erfindung innerhalb der Kernstruk­ tur einer Kernzelle mit flachen Zugbändern als Skelett-Elemente;

Fig. 11 den Teilschnitt nach der Schnittebene XI-XI aus Fig. 10 durch ein Teilbrennelement;

Fig. 12 in perspektivischer Darstellung ein Brennelement-Ske­ lett für ein Brennelement nach Fig. 10 und 11 mit jeweils vier Zugbändern zwischen der oberen Endplatte und dem Mittelteil sowie zwischen der unteren Endplatte und dem Mittelteil;

Fig. 13 eine Variante des Brennelement-Skeletts nach Fig. 12 mit nur vier Zugbändern, davon je zwei in einer Flucht und

Fig. 14 eine zweite Variante, ebenfalls mit nur vier Zug­ bändern, die paarweise über Kreuz angeordnet sind und

Fig. 15 einen Heizreaktor perspektivisch im Ausschnitt, welcher Kernzellen aufweist, die mit Wende- und Stapel-Brennelementen nach der Erfindung bestückt werden können.

Fig. 1 und 2 zeigen ein als Ganzes mit BE bezeichnetes Brennelement für Leichtwasserreaktoren, vorzugsweise für Heizreaktoren. Dieses besteht aus mehreren, im vorliegenden Fall drei, axial aneinanderreihbaren Teilbrennelementen T1 bis T3 polygonalen Querschnitts. Im vorliegenden Fall ist der Querschnitt des Brennelements BE und demgemäß auch seiner Teilbrennelemente quadratisch, weil dies die bevorzugte Ausführung für Heizreaktoren ist, welche in ihrem Kern einen Kernzellenaufbau haben, wie er z. B. in Fig. 15 im Ausschnitt dargestellt ist (darauf wird später eingegangen). Jedes der Teilbrennelemente T1-T3 umfaßt ein Bündel von Brennstäben f sowie kopf- und fußseitig je eine Endplatte K bzw. F. Die beiden Endplatten K, F sind gleichartig ausgebildet und in ihrer Funktion als Kopfplatte oder Fußplatte austauschbar, so daß durch Wenden eines Teilbrennelementes, wie es der Drehpfeil 1 symbolisiert, eine kopfseitige Endplatte K die Position und Funktion einer fußseitigen Endplatte F einnimmt und umgekehrt, d. h. eine fußseitige Endplatte F die Position und Funktion einer kopfseitigen Endplatte K. Aus diesem Grund sind die beiden kopf- und fußseitigen Endplatten K, F in ihren Abmes­ sungen (Querschnitt und Höhe bzw. Dicke) einander gleich.

Aus Fig. 1 ist noch ein Abstandshaltegitter A für die Brennstäbe f erkennbar, welches auf halber Länge des Teilbrennelementes T1 mit dem aus dieser Figur nicht näher ersichtlichen Brenn­ element-Skelett starr verbunden ist bzw. einen Teil dieses Skeletts bildet. Wenn man nun das Teilbrennelement T1 beispiels­ weise um die Wendeachse 2 wendet, dann werden auch die vordere und hintere Seite der beiden Endplatten F, K nicht nur in ihrer Höhen-, sondern auch in ihrer Seitenposition vertauscht, denn die mit F1 bezeichnete Frontseite der fußseitigen Endplat­ te F aus Fig. 2 gelangt nach dem Wenden in eine hintere Posi­ tion. Entsprechendes gilt für die vordere Flanke K1 der kopf­ seitigen Endplatte K, wenn das Teilbrennelement T1 gewendet wird. Hat das Brennelement BE oder haben seine Teilbrennelemen­ te T1 bis T2 nicht nur einen quasi-quadratischen, sondern einen reinquadratischen Grundriß oder Querschnitt, so sind alle vier Längsseiten eines Teilbrennelements ebenfalls mit­ einander vertauschbar. Mithin kann ein solches Teilbrenn­ element nach Fig. 2 vier Drehpositionen um seine Längsachse 4 einnehmen, wenn es in Richtung des Drehpfeils 3 gedreht wird (oder in entgegengesetzter Drehrichtung), und in der beschrie­ benen Wendeposition, wenn also die fußseitige Endplatte F und die kopfseitige Endplatte K miteinander vertauscht sind, ebenfalls vier Drehpositionen, also zusammen acht.

Wenn man bei der dargestellten Ausführung eines Brennelements, das aus drei Teilbrennelementen T1 bis T3 besteht, jedes der drei Teilbrennelemente jede der drei Höhenpositionen nach Fig. 1 einnehmen läßt und außerdem die Wende- und Drehpositio­ nen berücksichtigt, so kann ein einzelnes Teilbrennelement innerhalb der Brennelementsäule nach Fig. 1 insgesamt 24 verschiedene Positionen einnehmen. Die Erfindung ist auf drei axial aneinandergereihte Teilbrennelemente einer Brennelement­ säule BE nicht beschränkt; es kann sich auch nur um zwei Teil­ brennelemente oder aber um mehr als drei handeln. Je größer die Anzahl der axial aneinandergereihten Teilbrennelemente, um so kleiner wird die resultierende aktive Zone, die sich aus der Summe der einzelnen aktiven Zonen a1 jedes Teilbrennelemen­ tes T1 bis T3 ergibt. Die aktive Zone ist definiert durch die axiale Länge der für den Kernspaltungsprozeß zur Verfügung stehenden Kernbrennstoffs eines Brennstabs f bzw. des zugehöri­ gen Teilbrennelements, das generell mit T bezeichnet wird.

Fig. 3 und 4 zeigen eine erste Ausführungsform für ein Teil­ brennelement nach den Fig. 1 und 2. Die beiden Endplatten K und F sind mittels Skelett-Elementen SE1 bis SE4, generell mit SE bezeichnet, starr miteinander verbunden, wobei diese Skelett-Elemente als langgestreckte Zuganker 5 (vgl. Fig. 4) ausgebildet sind, die sich jeweils über die Länge des Teil­ brennelementes T erstrecken und so den Abstand der beiden End­ platten K, F zueinander fixieren. Die Zuganker 5 sind Stäbe kreisförmigen Querschnitts, bestehend aus korrosionsbeständi­ gem Stahl; sie sind, vergleiche Fig. 3, in Zwischenräumen zwischen den Brennstäben f angeordnet. Bei dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Brennelement BE bzw. Teilbrennelement T quadratischen Grundquerschnitts ist es vorteilhaft, wenn je ein Zuganker 5 je einem Quadranten QI bis QIV des quadrati­ schen Grundquerschnitts des Teilbrennelements T zugeordnet und jeder der vier Zuganker 5 des Teilbrennelements mittig inner­ halb seines Quadranten QI bis QIV angeordnet ist. Von den Zugankern 5 ist wenigstens ein Abstandshaltegitter A (vgl. Fig. 4) für die Brennstäbe f gehaltert. Bei nur einem Abstands­ haltegitter A pro Teilbrennelement T (vgl. auch Fig. 2) ist es günstig, dieses auf halber axialer Länge des Teilbrenn­ elements T anzuordnen. Eine günstige Ausführung für die Halte­ rung des Abstandshaltegitters A ist die, daß letzteres achs­ parallel zu den Brennstabachsen f′ verlaufende integrale Rohr­ hülsen 6 aufweist, welche von den Zugankern 5 durchdrungen sind. Die Rohrhülsen 6 und mit ihnen das Abstandshaltegitter A sind dann durch auf den Zugankern 5 sitzende Distanzrohre 7 axial fixiert. Die Zuganker 5, welche mit dem Abstandshalte­ gitter A und den Distanzrohren 7 sowie mit kopf- und fußseiti­ ger Endplatte K, F das Brennelement-Skelett bilden, sind mit den kopf-und fußseitigen Endplatten K, F jeweils verschweißt, vgl. Ringschweißnähte 8. Die Brennstäbe f dagegen sind vorzugs­ weise formschlüssig durch das Brennelement-Skelett, d. h. zwi­ schen kopf- und fußseitiger Endplatte K, F gehalten. In die Hüllrohre 9 der Brennstäbe f sind hierzu an deren Enden End­ stopfen 10 eingeschweißt sind. Die Endstopfen 10 weisen jeweils eine Ringschulter 10a auf, und über den Endstopfen mit seiner Ringschulter greift formschlüssig die jeweilige Endplatte K bzw. F mit einer angepaßten Aussparung 11.

Anstelle einer Fixierung des Abstandshaltegitters A mittels der Distanzrohre 7 könnte das Abstandshaltegitter A auch an den Zugankern 5 angeschweißt sein.

Für die Querschnittsform der Zuganker 5 und der zugehörigen Rohrhülsen 6 sowie Distanzrohre 7 können außer der in Fig. 3 dargestellten Rundquerschnittsform auch andere Querschnitts­ formen günstig sein, so z. B. ein Karo-Querschnitt, wobei die Karo-Spitzen in die vier benachbarten Lücken zwischen den Brenn­ stäben ragen, oder ein quadratischer Querschnitt, wobei die Quadratecken ebenfalls in die Lücken ragen. Eine weitere gün­ stige Querschnittsform mit reduzierter Materialanhäufung ist eine Kreuzform, wobei die Kreuzschenkelenden wieder auf die Lücken zwischen den benachbarten Brennstäben ausgerichtet sind.

In Fig. 4 sind im Schnitt Blattfederelemente 12 des Abstands­ haltegitters A dargestellt, welche mit ihren Vorsprüngen 12a am Umfang des einen Brennstabs f anliegen und mit ihren Rück­ sprüngen 12b am Nachbarbrennstab. Ferner erkennt man aus Fig. 4 die einzelnen Pellets oder Brennstofftabletten 13 innerhalb des Hüllrohrs 9 eines Brennstabs f.

In Fig. 3 ist durch die sich kreuzenden Koordinatenlinien x und y die Lage eines Kreuzspalts 14 zwischen den vier Brenn­ elementen BE1 einer Kernzelle CC angedeutet. Der zentrale Teil 14.1 des Kreuzspalts 14 ist zur Bildung eines angenähert kreis­ förmigen Querschnitts erweitert. Diese Erweiterung dient zur Aufnahme eines Steuerstabs mit seinem hydraulischen Kolben- Zylinder-Antrieb, wobei sich an die zentrale Erweiterung 14.1 in den vier Koordinatenrichtungen je ein Kreuzspaltschenkel 14.2 anschließt, in welchem die blatt- oder flügelförmigen Absorberelemente des Steuerstabantriebs auf- und abbewegt werden können (wird weiter unten anhand von Fig. 15 noch erläutert). Die dem (in Fig. 3 nicht dargestellten) Steuer­ stabantrieb zugewandten Eckenkonturen der Brennelemente der Kernzelle CC bzw. der zugehörigen Teilbrennelemente T sind zwecks Schaffung eines erweiterten Freiraums für den Steuer­ stab bzw. dessen Antrieb, wie dargestellt, eingezogen, d. h. anstelle der gestrichelt dargestellten Eckenkontur 15′ einer virtuellen Kernzellenwand 16 verläuft jetzt die Eckenkontur 15 angenähert unter 45° abgeflacht bzw. leicht konkav (eingewölbt). Dabei ist die Eckenkontur 15 insbesondere so weit eingezogen, daß die gewonnene, etwa sektorförmige Querschnittsfläche 17 der normalerweise benötigten Querschnittsteilfläche eines (nicht vorhandenen) Ecken-Brennstabs entspricht, dessen virtuelle Position durch ein gestricheltes Kreuz 18′ angedeutet ist.

Von den vier zu einer vollständigen Kernzelle gehörigen Brenn­ elementen BE1 ist in Fig. 3 nur eines vollständig in seinem Querschnitt und ein zweites nur zum Teil in seinen Umrissen dargestellt; das dritte und das vierte Brennelement sind in Fig. 3 weggelassen, weil zum Verständnis nicht erforderlich.

Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bis 9 ist ein Teil der Brennstäbe f, selbst, nämlich die mit S bezeichneten, als Skelett-Elemente in Form von Skelettstäben ausgebildet (Fig. 5). Hierzu sind die Skelettstäbe S mit ihren Endstopfen 10 jeweils mit den beiden kopf- bzw. fußseitigen Endplatten K, F starr verbunden, insbesondere verschweißt (Ringschweißnähte 170). Wie es der Querschnitt nach Fig. 5 verdeutlicht, ist es bei Brennelementen BE2 oder zugehörigen Teilbrennelementen T quadratischen Grundquerschnitts vorteilhaft, wenn je ein Ske­ lettstab S je einem Quadranten QI bis QIV des Grundquerschnitts des Teilbrennelements zugeordnet ist und jeder der vier Skelett­ stäbe S innerhalb seines Quadranten die Stabposition eines inne­ ren Brennstabes f besitzt. Dabei bedeutet "innerer Brennstab" einen solchen, der innerhalb der äußeren Brennstabreihen 180 angeordnet ist. Diese Skelettstäbe S übernehmen deshalb für ihren jeweiligen Quadranten QI bis QIV anteilig die Zugbean­ spruchung aufgrund von Wärmedehnungen eines Teilbrennelements.

Zur Halterung des Abstandshaltegitters A ist bei der Ausführung nach Fig. 5 bis 9 ein Teil der Brennstäbe f selbst, nämlich die mit H bezeichneten (vgl. Fig. 5) als Haltestäbe für wenig­ stens ein Abstandshaltegitter ausgebildet. Hierzu sind die Haltestäbe H (vgl. insb. Fig. 6 und 8) an ihrem Außenumfang mit Noppen 19 versehen, mit denen das Abstandshaltegitter A mittels einwärts gerichteter Vorsprünge 12a und Rücksprünge 12b seiner Blattfederelemente 12 (integrierte federnde Hülsen bzw. Gittermaschen) formschlüssig in Eingriff bringbar ist. Gemäß Fig. 8 greift jeweils ein federnder Vorsprung 12a zwischen zwei Noppen 19 des Haltestabs H. Die Vor- und Rück­ sprünge 12a, 12b an den federnden Hülsen 12 erstrecken sich nicht über den gesamten Umfang eines Haltestabs H, sondern - wie es Fig. 9 zeigt - jeweils nur über einen Umfangsteil­ bereich, so daß durch Verdrehung des Haltestabs H die Noppen 19 um z. B. 45° außer Eingriff der Vor-und Rücksprünge 12a, 12b gelangen. In der Eingriffs-Drehstellung nach Fig. 8 und 9 wird zweckmäßig der jeweilige Haltestab H durch einen Keil 20 verdrehgesichert, welcher von außen in eine Längsnut 21 ein­ fügbar ist. Diese Nut 21 wird jeweils von einer Ausnehmung gebildet, die in den Außenumfang des Endstopfens 10 und den Innenumfang der Aufnahmebohrung 11 der kopf- bzw. fußseitigen Endplatte K bzw. F eingebracht ist. Anstelle eines Keils 20 könnte auch ein Stift oder eine Inbusschraube verwendet sein, wobei zu diesen Verbindungselementen eine entsprechende Auf­ nahmebohrung oder eine Gewindebohrung gehören würde.

Vorzugsweise ist jedem der Skelettstäbe S je ein Haltestab H benachbart, wie es Fig. 5 verdeutlicht, so daß jeder der vier Quadranten QI bis QIV je ein Skelettstab/Haltestab-Paar S/H aufweist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 bis 12 und bei den Varianten dazu nach Fig. 13 und 14 sind die Skelett-Elemente SE durch metallische Zugbänder 22 gebildet, von denen je ein Zugband 22 je einem Paar von Quadranten QI/QII, QII/QIII usw. zugeordnet ist. Der Aufbau der Kernzelle CC ist im Prinzip so, wie anhand der Fig. 3 und 5 erläutert. Das in der letzt­ genannten Figur dargestellte Brennelement wird mit BE2 und dasjenige nach den Fig. 10 bis 12 mit BE3 bezeichnet. Die perspektivisch vereinfachte Darstellung nach Fig. 12 zeigt in Verbindung mit Fig. 10, daß die Zugbänder 22 zusammen mit dem Abstandshalter A und den beiden Endplatten K und F ein Brenn­ element-Skelett bilden, so daß die in diesem Skelett 23 gehaltenen Brennstäbe f (siehe Fig. 11) außer ihrer Brennstab­ funktion keine Sonderfunktion (z. B. die eines Halte- oder Skelettstabs) auszufüllen haben. Bei der Herstellung des Brenn­ elementes BE3 bzw. seiner Teilbrennelemente T wird zweckmäßig so vorgegangen, daß das Skelett 23 nach Fig. 12 ohne eine seiner Endplatten F bzw. K mit den Brennelementen f bestückt und sodann durch Aufsetzen der noch fehlenden Endplatte und Fixieren dieser Endplatte an den Zugbändern 22 das Teilbrenn­ element T vervollständigt wird und die einzelnen Brennelemente f formschlüssig in ihre endgültigen Positionen gesichert werden. Als ein geeignetes Verbindungsverfahren zwischen der als Abschlußelement anzufügenden Endplatte, z. B. K, und den Enden der Zugbänder 22 ist ein Schweißverfahren, insbesondere ein Laserschweißverfahren, besonders geeignet. In Fig. 12 ist das Abstandshaltegitter A nur in seinen Umrissen dargestellt; Fig. 11 zeigt im Querschnitt den aus den Fig. 4 und 6 bekannten Aufbau mit Federelementen 12 bzw. Maschen und ent­ sprechenden federelastischen Vorsprüngen 12a sowie Rücksprün­ gen 12b. Das Brennelementskelett 23 nach Fig. 12, das vorzugs­ weise aus einer Zirkoniumlegierung besteht, kann bis auf die beiden Endplatten K, F so hergestellt werden, daß aus einem Blech die Abwicklung zunächst herausgearbeitet (gestanzt oder mittels Laser herausgetrennt) wird, sodann wird durch Abbiegen der Umrißkanten 24 aus der ebenen Abwicklung der Umriß des Abstandshaltegitters A hergestellt, wobei die aneinanderstoßen­ den Kanten 24.1 und 24.2 z. B. mittels Laserschweißens miteinan­ der verbunden werden. Dann wird eine der beiden Endplatten F bzw. K angeschweißt und nach dem Bestücken mit den Brennstäben f und dem formschlüssigen Anfügen der zweiten Endplatte K bzw. F wird auch diese vorzugsweise angeschweißt. Die Schweißnähte sind mit 25 bezeichnet. Grundsätzlich wäre auch eine Schraub­ verbindung, z. B. mittels verdrehgesicherter Inbus-Schrauben, oder eine Zapfenverbindung (wobei die Zapfenköpfe zur Verdreh­ sicherung durch Schweißpunkte gesichert werden) zwischen den Zugbändern 22 und den Endplatten K, F möglich.

Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 13 sind zwischen den beiden Endplatten K und F einerseits und dem Abstandshalte­ gitter A jeweils zwei Paare einander gegenüberliegender Zugbänder 22 vorgesehen, wobei das obere Zugbandpaar 22, 22 mit dem unteren fluchtet. Bei der Abwandlung nach Fig. 14 erstreckt sich ein erstes Paar von Zugbandabschnitten 22a, 22a von ersten gegenüberliegenden Seiten K1 und K2 einer ersten Endplatte K zu ersten gegenüberliegenden Seiten 26.1, 26.2 des Halterahmens 26 für das Abstandshaltegitter A. Ein zweites Paar von Zugbandabschnitten 22b, 22b erstreckt sich von zwei­ ten gegenüberliegenden Seiten F1, F2 der fußseitigen oder zweiten Endplatte F zu zweiten gegenüberliegenden Seiten 26.3, 26.4 des Halterahmens 26, wobei das Paar von Endplattenseiten F1, F2 um 90° relativ zu den ersten Endplattenseiten K1, K2 um die Längsachse des Skeletts verdreht ist.

In Fig. 12 und 13 ist ebenfalls nur der Halterahmen 26 des Abstandshaltegitters A dargestellt. Das Prinzip, ein Brenn­ elementskelett aus Zugbändern und einem Halterahmen für ein Abstandshaltegitter A zu bilden, ist auf die dargestellte quadratische Form eines Teilbrennelements T nicht beschränkt, sondern gilt allgemein für ein polygonales Brennelement. Zum Beispiel könnten bei einem hexagonalen Brennelement, wenn man die grundsätzliche Ausführungsform nach Fig. 12 zugrundelegt, jeder zweiten der sechs Seiten einer Endplatte und des Halte­ rahmens 26 je ein Zugband 22 zugeordnet sein. Für die Her­ stellung von Teilbrennelementen mit einer Skelettkonstruktion nach den Fig. 13 oder 14 gilt sinngemäß das, was im Zusam­ menhang mit der Skelettkonstruktion nach Fig. 12 gesagt wurde.

Fig. 15 zeigt eine Kernstruktur 27 eines Heizreaktors 28, die aus einzelnen Kernzellen CC aufgebaut ist, wobei in jede der Kernzellen CC vier Brennelemente BE, jedes zusammengesetzt aus drei axial aneinandergereihten Teilbrennelementen T1 bis T3, einfügbar sind. Die jeweilige Kernzelle CC wird gebildet durch ein an seinen Ecken abgerundetes Vierkantrohr, das zweckmäßi­ gerweise zumindest im Bereich der Kernstruktur 27, also dort, wo die Brennelemente BE im eingefügten Zustand sich befinden, aus einer Zirkoniumlegierung besteht. In ihrem Inneren sind die Vierkantrohre 29 durch Winkelbleche 30 in vier Aufnahme­ schächte 31 für die Brennelemente BE unterteilt, und zwar unter Freilassung des Kreuzspalts 14 zur Aufnahme des je­ weiligen Steuerstabs 32 mit seinen kreuzförmigen Absorber­ elementen 33. In der Mitte des Kreuzspalts 14 - dieser ist für eine der Kernzellen CC im geöffneten Zustand dargestellt - befindet sich ein Hydraulikzylinder 34, in welchem ein mit dem Steuerstab 32 verbundener Druckmittelkolben 35 gleiten kann. Als Hydraulikmittel dient das Kühlwasser des Kernreaktors 28. Es ist sowohl eine Ausführung möglich, bei welcher der Kolben 35 feststeht und der Steuerstab mit seinem Zylinder 34 auf diesem Kolben gleitet (dargestellt) oder die kinematische Umkehrung (feststehender Zylinder und in diesem mit dem Steuer­ stab 32 gleitender Kolben). Durch eine Hydraulikströmung inner­ halb des Kreuzspalts 14 wird der erforderliche Auftrieb er­ zeugt, durch welchen die Gewichtskräfte des Steuerstabs in einer bestimmten Höhenposition kompensiert werden. Die Kern­ struktur 27 bzw. die Kernzellen CC sitzen auf der unteren Trag­ platte 36 auf, die mit Öffnungen 37 für das Kühlwasser ver­ sehen ist. Der seitliche Halt der Kernstruktur 27 ist vor allem durch die kreisringförmigen Stützbleche 38 bestimmt, die sich vom Innenumfang der Druckbehälterwand 39 durch den Ring­ raum 40 erstrecken und mit ihrem Innenumfang 41 den Kernquer­ schnitt definieren. Die Naturumlaufströmung des Reaktorkühl­ mittels ist durch Pfeile 42 symbolisiert; die Kühlmittelströ­ mung tritt durch große Öffnungen 43 parallel zur Längsachse des Kernreaktors 28 hindurch, und zwar im Ringraum 40 abwärts gerichtet und nach einer Umlenkung im unteren Plenum 44 auf­ wärts durch die Öffnungen 37 der unteren Tragplatte 36 und durch die Kühlkanäle der einzelnen Brennelemente BE der Kern­ zellen CC. Die Höhe der "Blechschächte" 29 oder Vierkantrohre übersteigt diejenige der eingefügten Brennelemente BE etwa um das Doppelte, so daß ein aus dem Kern ausgefahrener Steuerstab 32 innerhalb seiner Kernzelle CC noch eine ausreichende Füh­ rung und Abstützung findet. Die Kernzellen CC dienen jedoch nicht nur zur Abstützung der Steuerstäbe 32; sie bilden soge­ nannte Strömungskästen, die eine für den Naturumlauf erforder­ liche Kaminhöhe haben. Für einen 200 MW_th-Reaktor, insbeson­ dere Heizreaktor, besteht der Reaktorkern oder die Kern­ struktur 27 aus 45 solcher Kernzellen CC, welche sich gegen­ seitig stützend auf der Tragplatte 36 (lösbar) angeordnet sind. Da die Steuerstäbe 32 innerhalb der kreuzförmigen Füh­ rungen verfahren werden, die ihrerseits in den Strömungskästen der Kernzellen CC angeordnet sind, so besteht der gewünschte direkte Zugang zu den Brennelementen BE, ohne andere Teile ausbauen zu müssen.

Das in Fig. 15, oben, dargestellte Brennelement befindet sich gerade in einem Zustand des Einfügens (oder Herausnehmens) in bzw. aus einer Kernzelle CC. Das in der Kernstruktur 27 aufge­ heizte aufwärts strömende Reaktorkühlwasser wird über (nicht dargestellte) Wärmetauscher in ein externes Heiznetz einge­ koppelt, und das nach Durchströmen des Wärmetauschers abge­ kühlte Reaktorkühlwasser gelangt dann wieder in das obere Plenum 45 des Reaktordruckbehälters, von wo es abwärts gemäß Pfeilen 42 strömt.

Bei den für die Kernzellen CC verwendeten fünfeckigen Brenn­ elementen BE bzw. T nach Fig. 3 bis 15 (in den Fig. 12 bis 14 ist eine idealisierte rein quadratische Querschnitts­ form dargestellt, die naturgemäß auch an die Kernzellen-Bau­ form angepaßt werden kann) ist die Anzahl der Wende- und Dreh­ positionen im Vergleich zur rein quadratischen Bauform nach den Fig. 1 bis 3 reduziert, weil die abgeflachte oder eingezogene Eckenkontur 15 eines Teilbrennelements T, wenn es in eine Kernzelle eingesetzt wird, immer dem Steuerstab 32 (Fig. 15) zugewandt sein muß. Es ergeben sich jedoch noch genügend Variationsmöglichkeiten, wenn man die Teilbrennelemen­ te T innerhalb einer Kernzelle - im Uhr- oder Gegenzeigersinn um die Steuerstabachse - einen Platzwechsel vornehmen läßt. Man kann auf diese Weise alle vier möglichen Drehpositionen ausnutzen.

Claims (21)

1. Brennelement für Leichtwasserreaktoren, insbesondere für Heizreaktoren, bestehend aus mehreren axial aneinander reih­ baren Teilbrennelementen (T; T1-T3) polygonalen Querschnitts, deren jedes ein Bündel von Brennstäben (f) sowie kopf- und fußseitig je eine Endplatte (K, F) umfaßt, mit den folgenden weiteren Merkmalen:

• a) Die beiden Endplatten (K, F) jedes Brennelementes (BE; BE1-BE3) sind gleichartig ausgebildet und in ihrer Funktion als Kopfplatte (K) oder Fußplatte (F) vertauschbar, so daß durch Wenden eines Teilbrennelementes (T) eine kopfseitige End­ platte (K) die Position und Funktion einer fußseitigen Endplatte (F) und umgekehrt einnimmt, und
• b) die beiden Endplatten (K, F) des Teilbrennelementes (T) sind mittels Skelett-Elementen (SE; SE1-SE4) starr miteinander verbunden, wobei die Skelett-Elemente als langgestreckte Zuganker (5, S, 22) ausgebildet sind, sich über die Länge des Teilbrennelementes (T) erstrecken und so den Abstand der beiden Endplatten (K, F) zueinander fixieren.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes seiner Teilbrennelemente (T) einschließlich dessen beider End­ platten (K, F) einen quadratischen Grundquerschnitt aufweist.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Skelett­ elemente (SE) in Form von gesonderten Zugankern (5) in Zwi­ schenräumen zwischen den Brennstäben angeordnet sind.

4. Brennelement nach Anspruch 3, mit quadratischem Grundquer­ schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Zuganker (5) je einem Quadranten (QI-QIV) des Grund­ querschnittes des Teilbrennelementes (T) zugeordnet und jeder der vier Zuganker (5) eines Teilbrennelementes (T) mittig innerhalb seines Quadranten (QI-QIV) angeordnet ist.

5. Brennelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß von den Zug­ ankern (5) wenigstens ein Abstandshaltegitter (A) für die Brennstäbe (f) gehaltert ist.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstands­ haltegitter (A) achsparallel zu den Brennstabachsen (f) ver­ laufende integrale Rohrhülsen (6) aufweist, welche von den Zugankern (5) durchdrungen sind, wobei die Rohrhülsen (6) und mit ihnen das Abstandshaltegitter (A) durch auf den Zugankern (5) sitzende Distanzrohre (7) axial fixiert sind.

7. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstands­ haltegitter (A) mit den Zugankern (5) verschweißt ist.

8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Skelett-Elemente (SE) bzw. der Zuganker (5) mit den End­ platten (K, F) der Teilbrennelemente (T) verschweißt sind.

9. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Brennstäbe (f) selbst als Skelett-Elemente (SE) in Form von Skelettstäben (S) ausgebildet ist und hierzu die Skelettstäbe (S) mit ihren Endstopfen (10) jeweils mit den beiden Endplatten (K, F) starr verbunden sind.

10. Brennelement nach Anspruch 9, mit quadratischem Grundquer­ schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Skelettstab (S) je einem Quadranten (QI-QIV) des Grundquerschnitts des Teilbrennelementes (T) zugeordnet und jeder der vier Skelettstäbe (S) innerhalb seines Quadranten die Stabposition eines inneren Brennstabes besitzt, wobei innerer Brennstab einen Brennstab bedeutet, der innerhalb der äußeren Brennstabreihe (180) angeordnet ist.

11. Brennelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Brennstäbe (f) selbst als Haltestäbe (H) für wenigstens ein Abstandshaltegitter (A) ausgebildet ist und hierzu die Halte­ stäbe (H) an ihrem Außenumfang mit Noppen (19) versehen sind, mit denen das Abstandshaltegitter (A) mittels einwärts gerich­ teter Vor- und Rücksprünge (12a, 12b) an integrierten federnden Hülsen (12) formschlüssig in Eingriff bringbar ist.

12. Brennelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen (19) an den Haltestäben (H) mit den Vor- und Rücksprüngen (12a, 12b) der federnden Hülsen (12) durch eine Drehung verriegelbar sind, wobei zwecks Verdrehsicherung dieses verriegelten Ein­ griffs der Haltestab (H) an wenigstens einer seiner Endplatten (K, F) durch ein Verriegelungselement, z. B. in Form eines Keiles (20) oder Stiftes, fixiert ist.

13. Brennelement nach den Ansprüchen 10 und 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem der Skelettstäbe (S) in den vier Quadranten (QI-QIV) je ein Haltestab (H) benachbart ist.

14. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Skelett-Ele­ mente (SE) durch metallische Zugbänder (22) gebildet sind.

15. Brennelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Zugbänder (22) vorgesehen sind, von denen je eines mit je einer Polygonseite der beiden Endplatten (K, F) starr verbunden ist.

16. Brennelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugbänder (22) bzw. die Polygonseiten der Endplatten (K, F) einander gegenüberliegen.

17. Brennelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zug­ bänder (22) als Träger eines Halterahmens (26) für ein Abstands­ haltegitter (A) ausgebildet sind.

18. Brennelement nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Paar von Zugbandabschnitten (22a) von ersten gegenüberliegenden Seiten (K1, K2) einer ersten Endplatte (K) zu ersten gegenüber­ liegenden Seiten (26.1, 26.2) des Halterahmens (26) sich erstreckt und daß ein zweites Paar von Zugbandabschnitten (22b) von zweiten gegenüberliegenden, gegenüber den ersten gegenüber­ liegenden Endplattenseiten (K1, K2) um einen Winkel verdrehten Seiten (F1, F2) der zweiten Endplatte (F) sich zu zweiten gegenüberliegenden Seiten (26.3, 26.4) des Halterahmens (26) erstreckt.

19. Kernstruktur mit einem Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß um einen Kreuzspalt (14) vier Brennelemente (BE) quadratischen Quer­ schnitts, je eines in einem Quadranten eines mit dem Kreuzspalt (14) zusammenfallenden Achsenkreuzes (x-y), angeordnet sind und daß diese Brennelement-Vierergruppe mit einem Steuerstab (32), dessen kreuzförmige Absorberblätter (33) in dem Kreuzspalt (14) entsprechender Spaltweite aufwärts und abwärts bewegbar sind, eine Kernzelle (CC) bildet.

20. Kernstruktur nach Anspruch 19, wobei die Kernzelle (CC) einen Steuerstab (32) mit hydraulischem Antrieb aufweist und ein Kolben-Zylindersystem (35, 34) des Steuerstabantriebs im Zentrum der Kernzelle (CC) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Steuerstabantrieb zugewandten Eckenkonturen der Brennelemente (BE) bzw. Teilbrennelemente (T) zwecks Freilassung eines erweiterten Freiraums (14.1) für den Steuerstabantrieb eingezogen sind.

21. Kernstruktur nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken­ kontur (15) der Brennelemente (BE) bzw. Teilbrennelemente (T) so weit eingezogen ist, daß die gewonnene, etwa sektorförmige Querschnittsfläche (17) der normalerweise benötigten Quer­ schnittsteilfläche eines Ecken-Brennstabs (f) entspricht.