DE69605361T2

DE69605361T2 - Siedewasserreaktorbrennstabbündel mit variablem Brennstababstand

Info

Publication number: DE69605361T2
Application number: DE69605361T
Authority: DE
Inventors: Charles A. Brown
Original assignee: Siemens Nuclear Power Corp
Current assignee: Framatome ANP Richland Inc
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2016-05-22
Also published as: EP0751527A1; EP0751527B1; TW307873B; US5572560A; DE69605361D1; JPH0915362A; ES2140752T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffanordnungen für Kernreaktoren und insbesondere eine Brennstoffanordnungen für Siedewasserreaktoren, die Brennstäbe mit einem Versatz aufweist, der entlang der Höhe der Brennstoffanordnung variiert.[0001]

Hintergrund

In Kernreaktoren, die zur Erzeugung von Energie vorgesehen sind, sind die Brennstoffanordnungen üblicherweise mit einem solchen Stabtyp versehen, bei dem verlängerte Brennstäbe an ihren unteren und oberen Enden zwischen einer Boden- und Deckenplatte gehaltert oder positioniert sind und in eng zueinander beabstandeten parallelen Arealen in Anordnungen vorgesehen sind, die im allgemeinen quadratisch sind. Es ist gut bekannt, daß jede Brennstoffanordnung für wassergekühlte Siedewasserreaktoren typischerweise von einem äußeren, in der Regel quadratischen, Kanal umschlossen ist, der das Kühlmittel einschließt, das in eine Brennstoffanordnung bis zu der bestimmten Brennstoffanordnung eintritt, bis es die Anordnung am Deckenbereich des Reaktorkerns verläßt. Das durch die Brennstoffanordnung fließende Kühlmittel umfaßt ein Gemisch von flüssigem Wasser und Dampf. Am unteren Eintritt der Brennstoffanordnung liegt das Kühlmittel als flüssiges Wasser mit einer Temperatur vor, die bei oder etwas oberhalb seiner Sättigungstemperatur liegt. Da das Kühlmittel nach oben durch die Anordnung fließt, wird Energie von den Brennstäben an das Kühlmittel übertragen, es wird Dampf erzeugt, und die dampfförmige Phase im Kühlmittel erhöht sich. Am Deckenbereich der Brennstoffanordnung liegt das von den Brennstäben erhitzte Wasser insbesondere als Dampf vor. Aufgrund eines hohen Volumenanteils von Dampf im oberen Bereich des Reaktorkerns ist der obere Bereich des Reaktorkerns aufgrund einer zu geringen Anzahl von Wasserstoffatomen im Vergleich zur Anzahl an spaltbaren Uranium- oder Plutoniumatomen untermoderiert und überangereichert. Demzufolge wird weniger als die optimale Menge an Plutonium verwendet.[0002]
Viele Versuche wurden nach dem Stand der Technik unternommen, um die Moderatormenge in den oberen Abschnitten von Brennstoffanordnungen zur Verbesserung der Neutroneffizienz zu erhöhen. Bei einer allgemein eingesetzten Ausführung wurden ein oder mehr Wasserstäbe, innere Wasserkanäle oder andere Strömungsleitungen oder Wege für das Kühlmittel/den Moderator eingebaut, in denen in einer einzelnen Phase vorliegendes flüssiges Wasser als Kühlmittel/Moderator vom Bodenbereich zum Deckenbereich der Brennstoffanordnung mit einer Geschwindigkeit fließt, die ausreicht, um das Sieden dieses Stromes zu verhindern. Es treten jedoch Nachteile bei den Ausführungen auf, die solche Merkmale mit einschließen. Zum Beispiel tritt eine Verringerung der Nutzleistung der DNB-Wärmestromdichte (CHF = critical heat flux) auf, weil die Kühlmittel-/Moderatorströmung, die den Wasserstäben/kanälen zugeführt werden muß, um das Sieden im Inneren dieser Stäbe/Kanäle zu verhindern, auf Kosten der zum Kühlen der nuklearen Brennstäbe vorhandenen Kühlmittel-/Moderatorströmung auftritt.[0003]
Es ist bekannt, daß bei Brennstoffausführungen für Siedewasserreaktoren in den Brennstoffanordnungen Brennstäbe geringerer Länge mit eingeschlossen werden, damit die überangereicherten und untermoderierten Bedingungen im oberen Bereich des Kerns gemildert werden. Entsprechend sind einige der Brennstäbe in der Brennstoffanordnung an einigen Zwischenhöhen im Kern gekürzt. Dadurch bleibt ein ungefüllter Kühlmittelkanal über dieser Höhe zurück. Durch das Einsetzen eines gekürzten Brennstabs werden mehrere wichtige Vorteile erzielt. Ein Vorteil in Bezug auf die Neutronen ist zum Beispiel der, daß die Brennstoffmenge im Bodenbereich des Kerns im Vergleich zum Deckenbereich des Kerns erhöht wird. Es wird dadurch eine mehr axiale Gleichmäßigkeit des Verhältnisses zwischen Wasser und Brennstoff erzielt, mit einer damit verbundenen Reduzierung der Kosten des Brennstoffzyklus, einer erhöhten Abschaltzeit, einem verminderten Druckabfall (im wesentlichen wegen einer erhöhten Durchflußfläche, aber eine abnehmende benetzte Oberfläche vermindert auch den Druckabfall) und erhöhter Stabilität des Reaktorkerns, da die Verminderung des Druckabfalls am oberen Abschnitt des Brennstoffbündels auftritt, wo Zweiphasendruckabfälle am bedeutendsten sind. Durch das Einbringen von Brennstäben einer Teillänge jedoch, wird die Brennstoffmenge in der Brennstoffanordnung reduziert.[0004]
Zusätzlich zum untermoderierten und überangereicherten oberen Bereich entsteht ein weiteres Problem bei typischen Siedewasserreaktoren dadurch, daß der zentrale Bereich entlang der Achsen der Brennstoffanordnungen untermoderiert und überangereichert sein kann. Zur Erhöhung der Moderatormenge, um die Neutronenmoderation und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern, wird ein verlängerter zentraler Wasserkanal vorgesehen, der einen zentral angeordneten Weg für die Moderator-/Kühlmittelströmung entlang der Länge der Brennstäbe, aber physisch von diesen getrennt, bildet. Der zentrale Wasserkanal kann jede Querschnittsfläche und/oder Geometrie aufweisen, zentral und symmetrisch im äußeren Kanal positioniert sein oder asymmetrisch zu der Zentralachse im äußeren Kanal beabstandet sein und kann um seine Zentralachse ausgerichtet sein, so daß seine Wände, die sich über die Länge der Brennstoffanordnung erstrecken, entweder parallel oder nicht parallel zu den Wänden des äußeren Kanals verlaufen. Der zentrale Wasserkanal kann eine quadratische Querschnittsfläche, wie zum Beispiel im US-Patent 4,913,876 beschrieben, oder ein Areal von kreisförmigen Rohren oder Wasserstäben aufweisen, die sich entlang der Länge der Brennstoffanordnung erstrecken. Alternativ dazu ist die Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals kreuzförmig und teilt das Stabareal in Quadranten ein, wie dies zum Beispiel in den US- Patenten 4,478,786 und 4,795,608 beschrieben wird. Ausreichend flüssiges Kühlmittel zirkuliert durch den zentralen Kanal, damit das enthaltene Kühlmittel im wesentlichen oder ganz in flüssiger Phase bleibt. Der flüssige Moderator in dem/den Wasserkanal/Wasserkanälen erhöht die Moderation im Zentrum der Brennstoffanordnung, erhöht aber auch die Moderation in den oberen Bereichen der Brennstoffanordnung. Das Vorhandensein von flüssigem als Kontrast zu gasförmigem Moderator im zentralen Bereich der Brennstoffanordnung erhöht die nukleare Leistung der Brennstoffanordnung durch die Bereitstellung einer größeren Anzahl von Wasserstoffatomen, wodurch die Neutronen teilweise verlangsamt werden und dabei die Wahrscheinlichkeit weiterer Kernspaltungen erhöht wird.[0005]
Ein anderer wichtiger Vorteil eines zentralen Wasserkanals ist, daß der Dampfblasenkoeffizient der Reaktivität weniger negativ ist. Aufgrund eines weniger negativen Dampfblasenkoeffizienten der Reaktivität wird die Reaktorstabilität durch die Reduzierung der Kopplung von Kernraktivität und den thermisch hydraulischen Bedingungen des Kernmoderators verbessert. Der Moderator in der Brennstoffanordnung, der sich nicht im zentralen Wasserkanal befindet und der begrenzt aktives Kühlmittel ist, umfließt die nuklearen Brennstäbe und wird mit Hilfe von Wärmeleitung/Konvektion erhitzt. Da sich die Reaktivität erhöht, nimmt das Aufheizen des aktiven Kühlmittels zu. Durch das erhöhte Aufheizen des aktiven Kühlmittels entsteht eine größerer Dampfleerraum, und eine Verringerung der Moderation findet statt. Die Zunahme von Leerräumen und der reduzierten Moderation führt zu einer Verringerung der Reaktivität. Das Erhitzen des Kühlmittels/Moderators, das sich im zentralen Wasserkanal befindet, ist relativ gering und bleibt im wesentlichen unbeeinflußt von der Wärme, die von den Brennstäben abgegeben wird. So hat eine Brennstoffanordnung mit einem zentralen Wasserkanal einen größeren Moderatoranteil im Kern, der nicht verschwindet, wenn die Reaktivität sich erhöht. Somit ist die Abnahme der Reaktivität geringer bei der Bildung von Dampfleerraum.[0006]
Ungeachtet der besonderen Gestaltung hat jeder zentrale Wasserkanal in einer Brennstoffanordnung einen im Bodenbereich angeordneten Einlaß, damit das unterkühlte flüssige Wasser in den zentralen Wasserkanal eintreten kann und einen im Deckenbereich angeordneten Auslaß. Die Unterkühlung des Auslasses und die Strömungsgeschwindigkeit im zentralen Wasserkanal sind so, daß das Kühlmittel, das nach oben im zentralen Wasserkanal strömt, keinem wesentlichen Siedevorgang unterworfen ist. Das Ziel beim Einbau solch innerer Wasserkanäle ist die Erhöhung der Menge flüssigen Wassers in der Brennstoffanordnung und somit das Erreichen einer erhöhten Neutronenmoderation im Zentrum und den oberen Bereichen der Brennstoffanordnung. Die primären Vorteile dieser erhöhten Moderation sind ein verbesserter Brennstoffeinsatz und eine verbesserte Stabilität (z. B. geringere Tendenz zu gekoppelten nuklearen/thermisch-hydraulischen Schwingungen).[0007]
Zur Vergrößerung des zentralen Wasserkanals und zur Erhöhung der Moderation im oberen Abschnitt des Kerns wurden Ausführungen eingesetzt, in denen die oberen Abschnitte ausgewählter Brennstäbe entfernt werden, um einen sich ausdehnenden zentralen Wasserkanal unterzubringen, wie dies zum Beispiel im US-Patent 4,957,698 und dem US-Patent 4,968,479 beschrieben ist, gegen die der vorliegende Anspruch 1 abgegrenzt ist oder in denen der obere Abschnitt von ausgewählten Brennstäben entfernt werden und durch Wasserstäbe ersetzt werden, die sich in Fluid-Verbindung mit dem zentralen Wasserkanal befinden, wie zum Beispiel im US-Patent 5,255,300 beschrieben.[0008]
Solche Ausführungen jedoch, bei denen einige oder Abschnitte einiger Brennstäbe herausgenommen werden, verringern die von der Brennstoffanordnung erzeugte Energie. Wenn in gleicher Weise der Durchmesser der dem zentralen Wasserkanal benachbarten Brennstäbe verringert würde, um die zunehmende Größe des zentralen Wasserkanals unterzubringen, würde die von der Anordnung erzeugte Energie abnehmen.[0009]
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer nuklearen Brennstoffanordnung, die die wirksame Moderation des oberen Bereichs eines Reaktorkerns ermöglicht, wobei die Erzeugung der Energie durch die Brennstoffanordnung weiterhin auf hohem Niveau aufrechterhalten werden kann.[0010]
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.[0011]

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0012]
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Nuklearbrennstoffanordnung eines Siedewasserreaktors,
Fig. 2 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 2-2 der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffanordnung,
Fig. 3 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 3-3 der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffanordnung,
Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Nuklearbrennstoffanordnung eines Siedewasserreaktors nach einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 5-5 der in Fig. 4 gezeigten Brennstoffanordnung, und
Fig. 6 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 6-6 der in Fig. 4 gezeigten Brennstoffanordnung.

Ausführliche Beschreibung

[0013] Bezugnehmend auf Fig. 1 wird eine Nuklearbrennstoffanordnung eines Siedewasserreaktors allgemein mit 10 bezeichnet, die verlängerte Brennstäbe 12 aufweist, die jeder im allgemeinen ein Rohr aus Zirkon-Legierung 12a enthalten, in dem sich nukleare Brennstoffpellets 12b befinden. Die Brennstäbe 12 haben einen einheitlichen Durchmesser entlang ihrer Länge. Die Brennstäbe werden zwischen einer Bodenplatte 14 und einer Deckenplatte 16 gehaltert. Die Boden- und Deckenplatten können auch oder alternativ dazu dienen, die Enden der Brennstäbe in ein beabstandetes Verhältnis zueinander zu positionieren. Brennstäbe 12 treten durch Öffnungen oder Haltezellen in Abstandshaltern 18 hindurch, von denen nur zwei in dieser fragmentarischen Ansicht gezeigt werden. Die Abstandshalter 18 gewährleisten die Zwischenhalterung der Brennstäbe 12 entlang der Länge der Brennstoffanordnung 10 und positionieren diese in ein beabstandetes Verhältnis, wobei sie sie vor seitlichen Vibrationen zu sichern. Der Brennstabversatz oder der Abstand zwischen den Mittelachsen benachbarter Brennstäbe wird durch die Abstandshalter aufrechterhalten. Ein äußerer quadratischer Kanal 11 wird um die Brennstäbe 12 und den Abstandshaltern 18 gezeigt. Obwohl ein Wasserkanal 44 gezeigt wird, der im Zentrum des Areals von Brennstäben 12 angeordnet ist und in diesem Beispiel das am meisten innen gelegene 3 · 3-Brennstabareal ersetzt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf Brennstoffanordnungen mit einem zentralen Wasserkanal (Wasserkanälen) oder einem Wasserstab (Wasserstäben) begrenzt.
[0014] In der Anordnung 10 ist ein Brennstabareal von 11 · 11 untergebracht, obwohl die meisten Brennstäbe 12 zur deutlichen Veranschaulichung nicht gezeigt werden. Obwohl in der Beschreibung auf ein Brennstabareal von 11 · 11 Bezug genommen wird, wobei jeder Brennstab den gleichen Durchmesser aufweist, wurde ein solches Areal nur zum Zwecke der Veranschaulichung ausgewählt. Die vorliegende Erfindung kann mit anderen Arealen eingesetzt werden, die 8 · 8, 9 · 9 und 10 · 10 umfassen aber nicht darauf beschränkt sind.
[0015] Der zentrale Wasserkanal 44 wird in diesem Beispiel mit einer quadratischen Querschnittsfläche gezeigt, die entlang der Höhe der Brennstoffanordnung variiert. Erfindungsgemäß variieren die Position und der Abstand zwischen den Brennstäben 12 entlang der Höhe der Brennstoffanordnung in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel, um die sich verändernde Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals 44 unterzubringen, aber ohne Veränderung des Durchmessers der Brennstäbe 12 und ohne Vergrößerung des äußeren Kanals 11.
[0016] Bezugnehmend auf Fig. 2, die eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 2-2 der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffanordnung 10 ist, befindet sich der zentrale Wasserkanal 44 im Zentrum der Brennstoffanordnung und die Anordnung der Brennstäbe ist quadratisch, wobei der Abstand zwischen jedem Brennstab gleich ist. Der Versatz oder der Abstand zwischen den Mittelachsen jedes Brennstabes in der in Fig. 2 gezeigten Ansicht ist gleichmäßig und wird mit "P" bezeichnet.
[0017] Unter Bezugnahme auf Fig. 3, die eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 3-3 der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffanordnung 10 ist, ist die Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals 44 vergrößert gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten. Die Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals 44 variiert entlang der Höhe der Brennstoffanordnung und hat sich in der in Fig. 3 gezeigten Ansicht von seiner Position im unteren Abschnitt der Brennstoffanordnung (Fig. 2) aus zum oberen Bereich der Brennstoffanordnung vergrößert, wo er in diesem besonderen Beispiel seine maximale Querschnittsfläche erreicht. Jede der vier Eckflächen der in Fig. 3 gezeigten Anordnung hat ein quadratisches Brennstabareal von 4 · 4 mit einem Brennstabversatz von P&sub1;. Zwischen jeder der vier Eckflächen befinden sich Bereiche, Ebenen genannt, in denen die Brennstäbe in einem rechtwinkligen Areal von 3 · 4 oder 4 · 3 mit Brennstabversätzen von P&sub2; und P&sub3; angeordnet sind. In einem Brennstabareal, anders als ein quadratisches Areal, wie das in Fig. 3 gezeigte 3 · 4 oder 4 · 3 rechtwinklige Areal, wird der Versatz bzw. der Abstand zwischen den Mittelachsen zweier benachbarter Brennstäbe, die sich in radialer Richtung weg von der Mitte der Brennstoffanordnung erstrecken, als radialer Versatz bezeichnet. In dem 3 · 4- oder 4 · 3-Areal erstrecken sich die vier Brennstäbe in einer Reihe in radialer Richtung. Ein Beispiel für einen radialen Versatz wird in Fig. 3 als P&sub3; gezeigt. In gleicher Weise wird in einem Brennstabareal, das kein quadratisches Areal ist, der Versatz, bzw. der Abstand zwischen den Mittelachsen zweier benachbarter Brennstäbe, die sich tangential oder in Umfangsrichtung von der Mitte der Brennstoffanordnung aus erstrecken, mit tangentialer Versatz bezeichnet. In dem 3 · 4-Areal oder 4 · 3 erstrecken sich die drei Brennstäbe in einer Reihe tangential. Ein Beispiel für einen tangentialen Versatz wird in Fig. 3 als P&sub2; gezeigt.
[0018] Zur Anordnung der größeren Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals ohne daß dabei der Brennstabdurchmesser verringert wird und ohne daß kurze oder Brennstäbe geringerer Länge eingesetzt werden, verändert sich der Brennstabversatz von der niedrigeren Höhe (Fig. 2) zur höheren Höhe (Fig. 3) der Brennstoffanordnung. Der Versatz P&sub1; von jedem Brennstab in dem Brennstabareal von 4 · 4 in jedem der vier Eckflächen der in Fig. 3 gezeigten Brennstoffanordnung 10 ist kleiner als der Versatz P der Brennstäbe in den Ecken der in Fig. 2 gezeigten Höhe der Brennstoffanordnung. Das gesamte in Fig. 3 gezeigte Areal ist eine Kombination von quadratischem/rechtwinkligem Areal, in dem P&sub1; so ausgewählt wurde, daß er P&sub3; entspricht und P&sub2; so ausgewählt wurde, daß er größer als P&sub1; ist. Es können andere Werte der Versätze P&sub1;, P&sub2; und P&sub3; ausgewählt werden.
[0019] In der in den Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsform variiert der Brennstabversatz an jeder der Zwischenhöhen zwischen der in Fig. 2 gezeigten und der in Fig. 3 gezeigten Ansicht vom Versatz an der Bodenplatte zum Versatz des oberen Abstandshalters. So erstrecken sich die Brennstäbe von ihren Positionen in dem einheitlichen quadratischen Areal aus in der in Fig. 2 gezeigten Ansicht zu ihren Positionen in dem in Fig. 3 gezeigten kombinierten quadratischen/rechtwinkligen Areal. Insbesondere entwickelt sich das quadratische Areal von 4 · 4 in jeder der Ecken der Brennstoffanordnung 10 sowie die rechtwinkligen 3 · 4- und 4 · 3-Areale in den Ebenen der in Fig. 3 gezeigten Anordnung aus dem einheitlichen quadratischen Areal in der in Fig. 2 gezeigten Ansicht. So kann der Versatz der Brennstäbe in der Brennstoffanordnung 10 in radialer und/oder in tangentialer an jeder Höhe der Brennstoffanordnung (z. B. an den Ecken und in den Ebenen) variieren und kann somit vertikal oder axial entlang der Höhe der Brennstoffanordnung variieren. Obwohl in der in den Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Brennstabversatz vom niedrigen Abschnitt der Anordnung aus zum oberen Abschnitt der Anordnung variiert, können/kann der Versatz/die Versätze aprupt variieren oder können von einem zunehmenden zu einem abnehmenden Versatz (oder umgekehrt) an ausgewählten Höhen variieren, die durch die Position eines Abstandshalters (oder von Abstandshaltern) bestimmt werden, wie dies zum Beispiel in Fig. 1 im Bereich des höchsten Abstandshalters gezeigt wird.
[0020] Das Variieren des Brennstabversatzes entlang der Höhe der Brennstoffanordnung ermöglicht das Positionieren der Brennstäbe in der Weise, daß aus der örtlichen Moderatorverteilung Nutzen gezogen werden kann, so daß an verschiedenen axialen Stellen das Optimum des örtlichen Wasser/Brennstoff- Verhältnisses gewährleistet ist. Zusätzlich zu den Verbesserungen des örtlichen Wasser/Brennstoff-Verhältnisses können die Positionierung der Brennstäbe und der Versatz entlang der Höhe der Brennstoffanordnung variiert werden, um die Änderungen in der Geometrie der Brennstoffanordnung mit einzubringen, was dann wiederum die selektive Kontrolle des Wasser/Brennstoff-Verhältnisses oder der Strömungsflächen des Kühlmittels ermöglicht. Solche Änderungen könnten die Zunahme oder Abnahme der Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals entlang der Höhe der Anordnung oder die Zunahme der Strömungsfläche im äußeren Kanal mit einschließen, was durch Justieren des Stabversatzes an ausgewählten axialen Stellen erfolgt.
[0021] Da die Kühlmitteldichte als Funktion der Höhe der Brennstoffanordnung abnimmt, stellt sich eine damit verbundene Zunahme der Geschwindigkeit ein, was einen proportional höheren Druckabfall im Zweiphasen-Strömungsbereich der Brennstoffanordnung verursacht. Ein hohes von Zweiphasen- zu Einphasen- Druckabfallverhältnis kann schädlich für die Stabilität des Reaktorkerns sein. Aus diesem Grunde werden manchmal Maßnahmen zur Vergrößerung der Strömungsfläche des Kühlmittels und zur Reduzierung des Druckabfalls im Deckenbereich der Anordnung ergriffen. Eine Änderung der seitlichen Positionierung der Stäbe im Deckenbereich der Anordnung kann vorteilhaft sein, zum Beispiel durch effektivere Nutzung des Stromes, der aus dem Wasserkanal herausgeleitet wird oder durch effektivere Nutzung des Stromes, von den Brennstäben geringerer Länge zur Verbesserung des Kühlens der Brennstäbe am Deckenbereich der Anordnung.
[0022] Die Änderungen des Brennstabversatzes können durch seitliches Biegen der Brennstäbe in der Spanne zwischen den Abstandshaltern erfolgen. Das Biegen des Brennstabes, zum Beispiel von einer Zellposition in einem quadratischen Areal in einer Spanne zu einer benachbarten Zelle in der nächsten Spanne, kann erreicht werden, ohne die Formänderungsfestigkeit der Umhüllung der Brennstäbe zu überschreiten. Eine solche Biegung kann auch ohne Interferenz der Pellets erreicht werden, da die relativ kurze Länge der Pellets und die große Anzahl der Pellets zur Einhüllung des diametralen Spalts die notwendige Krümmung der Umhüllung ohne Interferenz zwischen Pellets und Umhüllung aufnehmen kann.
[0023] Durch das radiale, tangentiale und axiale Variieren des Brennstabversatzes in der Brennstoffanordnung kann ein innen liegender oder zentraler Wasserkanal angeordnet werden, dessen Querschnittsfläche und Gestaltung entlang der Höhe der Brennstoffanordnung variiert, ohne daß irgendein Brennstab aus der Anordnung entfernt werden muß. Außerdem kann erfindungsgemäß die Abmessung des zentralen Wasserkanals axial optimiert werden durch das selektive Verändern seiner Querschnittsfläche als Funktion der Höhe der Anordnung, was durch das selektive Verändern des Versatzes der Brennstäbe als Funktion der Höhe der Anordnung durchgeführt werden kann.
[0024] Bei Brennstoffanordnungen nach dem Stand der Technik, die gleichmäßigen Brennstabversatz aufweisen, erfordert die Vergrößerung der Abmessungen des zentralen Wasserkanals die Entfernung von denjenigen Brennstäben, die den Raum bzw. das Volumen einnehmen, in dem sich der vergrößerte zentrale Wasserkanal erstrecken würde, wobei die Anzahl der Brennstäbe in der Brennstoffanordnung verringert würde. Mit einem ungleichmäßigen Versatz können die Abmessungen des zentralen Wasserkanals vergrößert werden, ohne daß notwendigerweise irgendein Brennstab entfernt werden muß. Bei Brennstoffanordnungen nach dem Stand der Technik mit gleichmäßigem Versatz müßte die Gestaltung des zentralen Wasserkanals, der angeordnet werden könnte, aufgrund der physischen Position der Brennstäbe verändert werden, wenn die letzteren nicht entfernt würden.
[0025] Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der eine Nuklearbrennstoffanordnung für Siedewasserreaktoren mit 110 bezeichnet wird, die verlängerte Brennstäbe 112 aufweist, von denen jeder im allgemeinen ein Rohr aus Zirkon-Legierung 112a umfaßt, in dem sich nukleare Brennstoffpellets 112b befinden. Die Brennstäbe 112 weisen entlang ihrer Länge einen gleichmäßigen Durchmesser auf, wobei jeder Brennstab den gleichen Durchmesser hat. Die Brennstäbe werden zwischen einer Bodenplatte 114 und einer Deckenplatte 116 gehaltert und treten durch Öffnungen oder Haltezellen in Abstandshaltern 118 hindurch, von denen nur zwei in dieser fragmentarischen Ansicht gezeigt werden. Die Boden- und Deckenplatten können auch oder alternativ dazu dienen, die Enden der Brennstäbe in ein beabstandetes Verhältnis zu positionieren. Abstandshalter 118 gewährleisten die Zwischenhalterung der Brennstäbe 112 entlang der Länge der Brennstoffanordnung 110 und positionieren sie in ein beabstandetes Verhältnis, wobei sie die Brennstäbe gegen seitliche Vibrationen sichern. Der Brennstabversatz wird durch die Abstandshalter gewährleistet. Ein zentraler Wasserkanal 144 wird in der Mitte des Areals der Brennstäbe 112 angeordnet und ersetzt ein 3 · 3-Brennstoffareal, das in der Mitte der Brennstoffanordnung angeordnet ist. Der äußere Kanal 111 wird um die Brennstäbe 112 und den Abstandshaltern 118 herum gezeigt.
[0026] In den Ausführungen von Reaktoranordnungen, bei denen eine bauliche Verbindung zur Decken- und Bodenplatte über den inneren oder zentralen Wasserkanal ausgebildet ist, stellen die Abstandshalter über die Länge der Anordnung hinweg eine Stütze für die Brennstäbe dar und positionieren die Brennstäbe in einem Areal, wobei diese einen vorbestimmten Versatz oder vorbestimmte Versätze aufweisen.
[0027] Obwohl in der Anordnung 110 ein Brennstoffareal von 10 · 10 untergebracht ist, wurde ein solches Areal nur zum Zwecke der Veranschaulichung gewählt. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform kann mit anderen Arealen eingesetzt werden, die 8 · 8, 9 · 9 und 11 · 11 umfassen, aber nicht darauf begrenzt sind.
[0028] Unter Bezugnahme auf Fig. 5, die eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 5-5 der in Fig. 4 gezeigten Brennstoffanordnung 110 ist, ist das Areal von Brennstäben einheitlich und quadratisch und deren Versatz ist konstant und wird mit P&sub4; bezeichnet.
[0029] Unter Bezugnahme auf Fig. 6, die eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie 6-6 der in Fig. 4 gezeigten Brennstoffanordnung 110 ist, ist der zentrale Wasserkanal 144 im Vergleich zu dem in Fig. 5 gezeigten vergrößert. Die Querschnittsfläche des zentralen Wasserkanals 144 hat ausgehend von seiner Position im unteren Abschnitt der Brennstoffanordnung 110 (Fig. 5) bis zum Deckenbereich der Brennstoffanordnung exzentrisch zugenommen. Der exzentrisch sich erweiternde 3 · 3-Wasserkanal 144 befindet sich mehr zentral im Inneren der Brennstoffanordnung, wobei er den selektiven örtlichen Einsatz erhöhter Moderation sowohl im Zentrum als auch in den oberen Abschnitten der Brennstoffanordnung ermöglicht.
[0030] Zur Unterbringung der größeren Querschnittsfläche des exzentrisch erweiterten Wasserkanals 144 verändert sich der Brennstabversatz ausgehend von einem gleichförmigen Versatz P&sub4; bei einer niedrigen Höhe der Brennstoffanordnung (Fig. 5) hin zu nicht gleichförmigen Versätzen Pi, Pj, Pk, Pl, usw. bei einer höheren Höhe der Brennstoffanordnung (Fig. 6), ohne daß der Durchmesser der Brennstäbe verringert und ein Ersetzen durch kurze oder Brennstäbe geringerer Länge erfolgt.
[0031] Die nicht gleichförmigen Versätze der in Fig. 6 gezeigten Brennstäbe variieren von einem quadratischen Versatz Pi in der unteren rechten Ecke der Anordnung hin zu kleineren Versätzen (z. B. Pj, Pk) kombinierter quadratischer/rechtwinkliger Brennstabareale, zu einem sogar noch kleinerem Versatz (PL) des quadratischen Brennstabareals, das in der entgegengesetzten oberen linken diagonalen Ecke der Brennstoffanordnung gezeigt wird. In diesem Beispiel wurde P&sub1; so ausgewählt, daß er P&sub4; entspricht. Obwohl die in Fig. 6 gezeigten nicht gleichförmigen Versätze so gezeigt werden, daß sie im beträchtlichen Maße kontinuierlich von einer Ecke der Brennstoffanordnung zur diagonal entgegengesetzten Ecke variieren, kann die Variation und der Grad der Variation von anderen Faktoren oder einer anderen Wahl der Ausführung abhängig sein. Zum Beispiel führt die Wahl eines radialen Versatzes der sich am nächsten zum inneren und/oder äußeren Kanal befindenden Brennstäbe, der kleiner als der radiale Versatz der Zwischenreihen von Brennstäben ist, zu einem gleichförmigeren Moderator/Brennstoff-Verhältnis für alle Brennstäbe in der Anordnung im oberen Bereich der Brennstoffanordnung, der am meisten entleert ist. Allgemein gesagt: Da die Moderation eine Funktion des Verhältnisses zwischen Brennstoffmenge und Moderatormenge ist, bewirkt eine Veränderung des Brennstabversatzes eine Veränderung der Moderation. So ermöglicht das selektive Verändern des Brennstabversatzes bei Aufrechterhaltung der gleichmäßigen Stababmessung die Veränderung oder Anpassung der Moderation entlang der axialen Position der Brennstoffanordnung.
[0032] Obwohl die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, ist für den Fachmann einsichtig, daß verschiedene Änderungen und Abänderungen vorgenommen werden können, ohne den wahren Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.

Claims

1. Nuklearbrennstoffanordnung (10, 110) für Siedewasserreaktoren, umfassend:

a) eine Mehrzahl von verlängerten nuklearen Brennstäben (12, 112),

b) eine Bodenplatte (14, 114) zur Halterung der unteren Enden der Mehrzahl der nuklearen Brennstäbe (12, 112),

c) Mittel zur Positionierung der Mehrzahl der nuklearen Brennstäbe (12, 112) in einem Areal, das mindestens einen ersten Versatz aufweist,

d) eine Deckenplatte (16, 116) zur Positionierung der oberen Enden der Mehrzahl der nuklearen Brennstäbe (12, 112),

e) einen äußeren Kanal (11, 111), der die Mehrzahl von Brennstäben (12, 112) umgibt, um Kühlmittel/Moderator um die Mehrzahl der Brennstäbe (12, 112) herum vom Bodenbereich der Anordnung (10, 110) aus zum Deckenbereich der Anordnung (10, 110) zu leiten,

f) einen ersten Abstandshalter (18, 118), der die Mehrzahl der Brennstäbe (12, 112) über die Länge der Anordnung (10, 110) haltert und zwischen der Decken- und Bodenplatte sowie über die Mittel angeordnet ist, um die Mehrzahl der Brennstäbe (12, 112) zu positionieren, wobei die Mehrzahl von Brennstäben (12, 112) durch Öffnungen im ersten Abstandshalter hindurchtritt und in einem beabstandeten Verhältnis durch den ersten Abstandshalter festgehalten werden, und

g) einen inneren Wasserkanal (44, 144), der dazu geeignet ist, einen Strömungsweg entlang seiner Länge zu bilden, um Kühlmittel/Moderator im inneren Wasserkanal vom Bodenbereich der Anordnung aus zum Deckenbereich der Anordnung zu leiten, wobei der innere Wasserkanal (44, 144) einen größeren Querschnitt in einem oberen Bereich seiner Länge aufweist als in einem unteren Bereich,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abstandshalter (18, 118) die Mehrzahl der Brennstäbe (12, 112) in ein zweites Areal positioniert, das einen zweiten mindestens einen Versatz aufweist, der kleiner als der erste Versatz ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Positionierung der Mehrzahl der nuklearen Brennstäbe (12, 112) die Bodenplatte (14, 114) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der innere Wasserkanal (44, 144) mindestens eine Wand aufweist zur Führung von Kühlmittel/Moderator vom Bodenbereich der Anordnung (10, 110) aus durch den inneren Kanal.

4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Positionierung der Mehrzahl der nuklearen Brennstäbe (12, 112) einen zweiten Abstandshalter (18, 118) umfaßt, um die Zwischenhalterung der Mehrzahl der Brennstäbe (12, 112) über die Länge der Anordung (10, 110) zu gewährleisten, der zwischen dem ersten Abstandshalter (18, 118) und der Bodenplatte (14, 114) positioniert ist, wobei die Mehrzahl der Brennstäbe (12, 112) durch Öffnungen im zweiten Abstandshalter (18, 118) hindurchtritt und im beabstandeten Verhältnis durch den zweiten Abstandshalter (18, 118) festgehalten wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mehrzahl der Brennstäbe (12) in einer 11 · 11-Konfiguration angeordnet ist und ein am weitesten innen liegendes Brennstabareal von 3 · 3 der 11 · 11- Konfiguration durch den inneren Kanal ersetzt wird.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mehrzahl der nuklearen Brennstäbe (112) in einer 10 · 10-Konfiguration angeordnet ist und ein am weitesten innen liegendes 3 · 3-Brennstabareal der 10 · 10- Konfiguration durch den inneren Kanal (144) ersetzt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der innere Kanal (44, 144) eine im wesentlichen quadratische Querschnittsfläche aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei der innere Kanal (44, 144) eine Querschnittsfläche aufweist, die entlang der Höhe des inneren Kanals variiert.

9. Anordnung nach Anspruch 7, wobei das Areal von Brennstäben (12, 112) durch das Mittel zur Positionierung in einem quadratischen Areal angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei das zweite Areal von Brennstäben (12, 112) ein Kombinationsareal ist, welches ein quadratisches Areal und ein rechtwinkliges Areal umfaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei das rechtwinklige Areal des Kombinationsareals zwei Versätze aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das quadratische Areal des Kombinationsareals in jeder der vier Ecken der Anordnung positioniert ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das rechtwinklige Areal des Kombinationsareals in jeder der zwei Abschnitte der Anordnung angeordnet ist.