DE69714439T2

DE69714439T2 - Kernbrennstoffeinheit

Info

Publication number: DE69714439T2
Application number: DE69714439T
Authority: DE
Inventors: Sture Helmersson
Original assignee: Westinghouse Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2017-05-31
Also published as: EP0906626B1; US6516042B2; SE508060C2; EP0906626A1; ES2180059T3; SE9602447L; DE69714439D1; SE9602447D0; WO1997049096A1; JP3770405B2; US20010003537A1; JP2000515963A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor, der so beschaffen ist, daß während des Betriebes des Reaktors Kühlwasser durch das Brennelement nach oben fließen kann, wobei es Wärme von einer Vielzahl von Brennstäben absorbiert, die von einem Brennelementkasten umgeben sind, wobei ein Teil des Kühlwassers in Dampf übergeht und wobei das Brennelement einen Dampfkanal enthält, durch welchen der Dampf durch das Brennelement zu dessen Ausgang strömen kann.

Stand der Technik

In einem Siedewasserreaktor, der durch leichtes Wasser moderiert wird, besteht der Brennstoff aus Brennstäben, von denen jeder einen Stapel aus Pellets aus Kernmaterial enthält, die in einem Hüllrohr angeordnet sind. Ein Brennstabbündel enthält eine Vielzahl von Brennstäben, die parallel zueinander in einem bestimmten definierten, normalerweise symmetrischen Muster, einem sogenannten Gitter, angeordnet sind, und welches Brennstabbündel an seinem oberen Ende von einer oberen Verbundplatte und an seinem unteren Ende von einer unteren Verbundplatte zusammen gehalten wird. Ein Brennelement enthält ein oder mehrere Brennstabbündel, von denen sich jedes längs des Hauptteils der Länge des Brennelements erstreckt, und welches/welche von einem im wesentlichen quadratischen Brennelementkasten umgeben ist/sind.
Der Kern ist in Wasser eingetaucht, welches sowohl als und Kühlmittel als auch Neutronenmoderator dient. Die Brenn elemente sind in dem Kern vertikal in Abstand voneinander angeordnet. Beim Betrieb kann das Wasser durch den Boden des Brennelements in dieses eintreten und fließt dann nach oben durch das Brennelement an den Brennstäben entlang. Die von den Brennstäben abgegebene Wärme wird von dem Wasser aufgenommen, welches zu kochen beginnt, wobei ein Teil des Wassers in Dampf übergeführt wird. Das Wasser und der Dampf strömen durch das obere Ende des Brennelements ab. Der erzeugte Dampf wird an Turbinen geliefert, welche Generatoren treiben, die elektrische Energie erzeugen.
Ein Nachteil bei einem Siedewasserreaktor ist der hohe Prozentsatz an Dampf im oberen Teil des Brennelements. Wenn der Prozentsatz an Dampf im Kühlmittel steigt, wird seine Fähigkeit, Wärme von den Brennstäben wegzuleiten, vermindert, wobei die Gefahr eines Austrocknens steigt, was seinerseits zu einer erhöhten Gefahr eines Brennstoffschadens führt. Ein zusätzliches Problem mit dem hohen Dampfgehalt in dem Kühlmittel besteht darin, daß Dampf ein viel schlechterer Moderator als Wasser ist, was zur Folge hat, daß die Moderation unzureichend wird, wodurch die Ausnutzung des Brennstoffes ineffizient wird. Im unteren Teil des Brennelements besteht der Moderator aus Wasser, während der Moderator im oberen Teil des Brennelements sowohl auch Dampf als auch Wasser besteht. Dies bedeutet, daß der Brennstoff im oberen Teil des Brennelements nicht effizient genug ausgenutzt wird. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, den Dampfgehalt des Kühlmittels zu vermindern, während gleichzeitig die Dampferzeugung auf einem hohen Niveau aufrechterhalten werden soll.
Der Volumenprozentsatz an Dampf α ist ein sehr wichtiger Parameter für die nuklearen Eigenschaften des Brennstoffes und des Kerns. Wenn die Wasserphase und die Dampfphase sich beide mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen, kann α direkt aus der Mischgleichung bestimmt werden:
wobei
x = der Gewichtsprozentsatz an Dampf, der sich aus der zugeführten thermischen Energie ergibt,
Pg = die Dichte der Dampfphase,
Pl = die Dichte der flüssigen Phase.
Der Quotient Pg/Pl beträgt etwa 0,05 bei normalen Betriebsbedingungen in einem Siedereaktor bei einem Druck von etwa 7 MPa. Die Beziehung zwischen α und x zeigt Fig. 1.
Wenn die Dampfphase und die flüssige Phase sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, so kann dies mit den folgenden Modifikationen der Gleichung 1 beschrieben werden:
wobei S (der "grinding"-Faktor, das heißt der Schlupffaktor) das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Phasen beschreibt, und S > 1 bedeutet, daß der Dampf schneller strömt als die Flüssigkeit. S ist tatsächlich eine komplizierte Funktion des Gewichtsprozentsatzes des Dampfes, des Druckes, der Geometrie und so weiter. Es ist jedoch wohlbekannt, daß in einem Siedewasserreaktor eine höhere Dampfgeschwindigkeit zum Ausgang hin erreicht wird, was eine Folge der bedeutend geringeren Dichte des Dampfes ist. Wenn der Dampfstrom eine höhrere Geschwindigkeit als der Wasserstrom hat, geht der Volumenprozentsatz des Dampfes in dem Brennelement zurück. Der tatsächliche Volumenprozentsatz des Dampfes ist daher ist 5 bis 10 Prozent geringer, als er beim Fehlen einer Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Phasen erwartet werden könnte, zumindest im oberen Teil des Brennelements, wo der Gewichtsprozentsatz des Dampfes über 40 Prozent liegt.
Die Schlußfolgerung aus diesen Überlegungen ist, daß schneller der Dampf aus dem Brennelement verschwindet, umso niedriger der Volumenprozentsatz des Dampfes ist. Eine Trennung des Dampfstromes und des Wasserstromes im oberen Teil des Brennelements verleiht dem Dampfstrom daher eine höhere Geschwindigkeit als dem Wasserstrom, wodurch der Volumenprozentsatz des Dampfes in dem Brennelement zurückgeht. Auf diese Weise wird der Sicherheitsabstand gegenüber einem Austrocknen verbessert, und der Brennstoff wird im oberen Teil des Brennelements besser ausgenutzt.
Die US-Patentschrift 5091146 zeigt ein Brennelement, bei dem eine Trennung von Dampfstrom und Wasserstrom im oberen Teil des Brennelements durch die Anordnung eines Dampfabzugsrohres oberhalb eines oder mehrerer verkürzter Brennstäbe versucht wird, das heißt bei Stäben, die an der unteren Verbundplatte beginnen, aber unter und im Abstand von der oberen Verbundplatte enden. Auf diese Weise soll der in dem Kühlmittel erzeugte Dampf abgeführt werden. Das Rohr hat Öffnungen sowohl an seinem oberen als auch an seinem unteren Ende. Ein solches Rohr hat mehrere Nachteile. Zum einen ist seine Herstellung kostspielig, und zum anderen verursacht es einen erhöhten Druckverlust in dem Brennelement. Ein anderer Nachteil besteht darin, daß es schwierig sein kann, den kontinuierlich erzeugten Dampf dazu zu bringen, in das Rohr einzutreten. Zugegeben, das Rohr ist mit Öffnungen und anderen Vorrichtungen versehen, um den Dampf dazu zu bringen, in das Rohr einzuströmen und das Wasser vom Eintritt in das Rohr abzuhalten, aber es ist dennoch zweifelhaft, ob dies ein wirkungsvoller Weg ist, den Dampf zum Eintritt in das Rohr zu veranlassen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung zielt auf die Entwicklung eines Brennelements, welches in einer einfachen und wirkungsvollen Weise den Dampfstrom und den Wasserstrom zumindest zum Teil trennt, um so einen niedrigeren Volumenprozentsatz des Dampfes im Brennelement zu erhalten.
Was das Brennelement gemäß der Erfindung kennzeichnet, ergibt sich aus den beigefügten Ansprüchen.
Ein Brennelement gemäß der Erfindung enthält einen vertikalen Kanal, welcher während des Betriebes Dampf durch das Brennelement nach oben leitet. Dieser Kanal hat keine Wände, sondern besteht lediglich aus einem leeren Raum zwischen den Brennstäben und wird im folgenden als "Dampfkanal" bezeichnet. Das Brennelement ist so aufgebaut, daß das Kühlmittel, das heißt Wasser und Dampf, dazu gebracht wird, um den Dampfkanal derart zu rotieren, daß sich ein nach oben erstreckender Wirbel ergibt. Der Wirbel rotiert so schnell, daß der Dampf mit Hilfe der Zentrifugalkräfte vom Wasser getrennt wird. Das Wasser, welches schwerer als der Dampf ist, wird nach außen und weg von dem Dampfkanal geschleudert, während der leichtere Dampf zum Zentrum des Wirbels hin gedrückt wird und damit gegen den Dampfkanal. Dies verleiht dem Dampf eine bedeutend höhere als die natürliche Geschwindigkeit und ermöglicht es dem Dampf, das Brennelement über den Dampfkanal mit einer höheren Geschwindigkeit zu verlassen. Auf diese Weise wird der Volumenprozentsatz des Dampfes in dem Brennelement reduziert.
Der Transport des Dampfes zum Zentrum des Wirbels verstärkt die Rotation, da das Trägheitsmoment kleiner wird. Da der Dampf aus dem Brennelement mit einer höheren Geschwindigkeit als das Wasser verschwindet, wird der Volumenprozentsatz des Dampfes in dem Kühlmittel verkleinert, wodurch die Kühlung des Brennstoffes verbessert wird. Auch eine teilweise Trennung von Wasser und Dampf ist wertvoll. In der Praxis ergeben die ersten wenigen Prozentpunkte an Reduktion des Dampfvolumens den größten Nutzen.
Die Erfindung gewährt eine Vielzahl von Vorteilen. Die meisten gehen auf den reduzierten Volumenprozentsatz des Dampfes zurück. Die Kühlung wird verbessert, und folglich steigt der Sicherheitsabstand gegenüber einem Austrocknen. Eine geringere Dampfmenge vergrößert die Reaktivität, was die Notwendigkeit der Anreicherung des Brennstoffes reduziert. Der Abschaltsicherheitsabstand (shutdown margin) wird verbessert, da weniger Reaktivität im Dampf enthalten ist. Eine verminderte Änderung des Volumenprozentsatzes des Dampfes in achialer Richtung und die verminderte Anzahl von Brennstäben oben im Bündel machen es möglich, ein im wesentlichen optimales Wasser/Uran-Verhältnis längs der gesamten Länge des Brennelement zu erreichen, was die Reaktivität weiter erhöht. Das offenere Gitter und der kleinere Volumenprozentsatz des Dampfes verursachen einen geringeren Druckverlust. Weniger im Dampf gebundene Reaktivität führt zu weniger negativen Reaktivitätskoeffizienten. Es werden die Stabilität des Kerns und mehrere verschiedene transiente Vorgänge verbessert.
Noch ein weiterer Vorteil ist der verbesserte Abschaltsicherheitsabstand was eine Folge davon ist, daß der obere Teil des Brennstoffes mindestens einen zusammenhängenden Bereich ohne Brennstäbe enthält. Beim Abschalten sind diese Bereiche mit Wasser gefüllt und tragen zu einer be deutenden Reduzierung der Reaktivität und damit zu einem verbesserten Abschaltsicherheitsabstand bei.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt das Verhältnis zwischen dem Volumenprozentsatz von Dampf α und dem Gewichtsprozentsatz von Dampf x,
Fig. 2 zeigt schematisch einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Brennelements gemäß der Erfindung,
Fig. 3a bis 3f zeigen eine Anzahl horizontaler Schnitte durch das Brennelement der Fig. 2,
Fig. 4 zeigt eine Brennstoffeinheit aus dem oberen Teil eines Brennelements in Seitenansicht,
Fig. 5 zeigt einen Teil einer unteren Verbundplatte einer Brennstoffeinheit.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Um in der Lagen zu sein, ein Brennelement derart zu bauen, daß Wasser und Dampf in effizienter Weise voneinander getrennt werden, ist es wünschenswert, daß das Brennelement in der Weise flexibel ist, daß ihm verschiedene Ausgestaltungen in achsialer Richtung in einfacher Weise verliehen werden können. Ein solches Brennelement wird in der PCT/SE95/01478 gezeigt, die zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Patentanmeldung noch nicht veröffentlicht war. Dieses Brennelement enthält eine Vielzahl von Brennstoffeinheiten, die übereinander gestapelt sind, wobei jedes eine Vielzahl von Brennstäben enthält, die sich zwischen einer oberen Verbundplatte und einer unteren Verbundplatte erstrecken. Der Stapel aus Brennstoffeinheiten is von einem Brennelementkasten mit einem im wesentlichen quadratischen Querschnitt umgeben. Einem Brennelement dieser Art können in einfacher Weise unterschiedliche Gestaltungen in axialer Richtung gegeben werden.
Die Fig. 2 und 3a bis 3f zeigen ein Brennelement gemäß der Erfindung. Während des Betriebes ist das Brennelement vertfkal im Reaktorkern angeordnet. Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt F-F durch das Brennelement. Die Fig. 3a-3f zeigen eine Anzahl horizontaler Schnitte A-A, B-B, C-C, D&sub1;-D&sub1;, D&sub2;-D&sub2;, D&sub3;-D&sub3; durch das Brennelement. Das Brennelement hat einen oberen Transportgriff 1, ein unteres Endteil 2 und eine Vielzahl von Brennstoffeinheiten 3a, 3b, 3c und 3d, die übereinander gestapelt sind. Jede Brennstoffeinheit enthält eine Vielzahl von Brennstäben 4, die zwischen einer oberen Verbundplatte 5 und einer unteren Verbundplatte 6 angeordnet sind. Die Brennstoffeinheiten sind in Längsrichtung des Brennelements aufeinander derart gestapelt, daß die obere Verbundplatte 5 einer Brennstoffeinheit der unteren Verbundplatte 6 in der nächsten Brennstoffeinheit des Stapels gegenüber liegt. Ein Brennstab 4 enthält Brennstoff in Form einer Säule aus Uranpellets 8, die in einem Hüllrohr 7 angeordnet sind. Das Brennelement ist in einem Brennelementkasten 9 mit einem im wesentlichen quadratischen Querschnitt eingeschlossen. Bei dieser Ausführungsform enthält das Brennelement acht Brennstoffeinheiten, von denen jede etwa 0,5 Meer hoch ist.
Eine Brennstoffeinheit hat 100 Brennstabpositionen in einem rechtwinkeligen 10 · 10 Gitter. Eine Brennstabposition ist eine Position in dem Gitter, und in dieser kann ein Brennstab angeordnet werden, jedoch es ist nicht notwenig, daß alle Positionen von Brennstäben besetzt sind. Die Brennstoffeinheit ist unterteilt in vier Teilbündel mit je 25 Brennstabpositionen in einem rechtwinkeligen 5 · 5 Gitter. Das Gitter in einem Teilbündel enthält eine Brennstabposition im Zentrum des Teilbündels, und um diese herum ist ein innerer quadratischer Ring angeordnet, der aus 8 Brennstabpositionen besteht. Außerhalb des inneren Ringes ist ein äußerer quadratischer Ring vorhanden, der aus 16 Brennstabpositionen besteht.
Die Brennstäbe in der Brennstoffeinheit haben ein oberes Ende, welches in der oberen Verbundplatte angeordnet ist, und ein unteres Ende, welches in der unteren Verbundplatte angeordnet ist. Ein Brennstab, der zu dem inneren oder dem äußeren Ring gehört, ist mit seinem unteren Ende in einer ersten Brennstabposition angeordnet und mit seinem oberen Ende in einer zweiten Brennstabposition angeordnet. Das obere und untere Ende des Brennstabes sind somit in verschiedenen Brennstabpositionen angeordnet. Die erste und die zweite Brennstabposition liegen Seite an Seite und gehören außerdem zu dem selben Ring. Es gibt zwei Positionen im Gitter, welche diese beiden Bedingungen erfüllen. Die Brennstäbe sind somit zwischen der unteren Verbundplatte und der oberen Verbundplatte geneigt, und ein Brennstab kann in zwei verschiedenen Richtungen in desselben Ring geneigt sein. In einem Teilbündel sind alle Brennstäbe in den beiden Ringen in derselben Richtung geneigt, das heißt entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um das Zentrum des Teilbündels.
Der Zweck der Neigung der Brennstäben um das Zentrum des Teilbündels besteht darin, das Wasser und den Dampf, die durch das Brennelement nach oben strömen, in Rotation zu versetzen und damit einen Wirbel zu erzeugen, dessen Zentrum im Zentrum des Teilbündels liegt. Die Richtung des Wirbels kann im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufen, was davon abhängt, in welcher Richtung die Brennstäbe in den beiden Ringen geneigt sind. Der Winkel zwischen der Längsachse des Brennelements und der Längsachse der geneigten Brennstäbe wird bestimmt durch den Abstand zwischen der unteren Verbundplatte und der oberen Verbundplatte und dem Abstand zwischen zwei Brennstabpositionen, die dicht nebeneinander in Gittern liegen.
Das Brennelement enthält vier verschiedene Typen von Brennstoffeinheiten 3a, 3b, 3c, 3d. Die beiden untersten Brennstoffeinheiten 3a sind identisch, und ein horizontaler Schnitt A-A durch diese ist in Fig. 3a gezeigt. Die Brennstoffeinheit 3a hat 100 Brennstäbe, die in einem 10 · 10 Gitter angeordnet sind, und es ist in vier Teilbündel 15a, 15b, 15c, 15d mit je 25 Brennstäben in jedem Teilbündel unterteilt. Alle Brennstabpositionen in diesem Gitter sind mit Brennstäben besetzt. In der Brennstabposition im Zentrum jedes Teilbündels ist ein gerader zentraler Stab 4a angeordnet. Der zentrale Stab verläuft parallel zu der Längsachse des Brennelements und nimmt dieselbe Brennstabposition sowohl an seinem oberen als auch an seinem unteren Ende ein. Die Figuren zeigen mittels Pfeilen an, in welcher Richtung die Brennstäbe in dem inneren Ring 20a und dem äußeren Ring 20b geneigt sind. In zwei der Teilbündel 15a, 15c sind die Brennstäbe in den Ringen im Uhrzeigersinn um den zentralen Stab geneigt, und in den anderen beiden Teilbündeln 15b, 15d sind die Brennstäbe in den Ringen gegen den Uhrzeigersinn um den zentralen Stab geneigt.
Fig. 4 zeigt die Brennstoffeinheit 3a in einer Seitenansicht in einem Schnitt E-E durch das Brennelement. Die Figur zeigt, daß die Brennstäbe in dem Teilbündel 15a nach rechts geneigt sind und daß die Brennstäbe in dem Teilbündel 15b nach links geneigt sind. Durch die Neigung der Brennstäbe in verschiedene Richtungen in den verschiedenen Teilbündeln entstehen beim Betrieb des Reaktors vier Wirbel in dem Brennelement, von denen zwei gegen den Uhrzeigersinn gerichtet sind und zwei im Uhrzeigersinn. Die Teilbündel, welche auf derselben Diagonale angeordnet sind, haben Brennstäbe, die in der gleichen Richtung geneigt sind. Es ist ein Vorteil, wenn einige der Wirbel gegen den Uhrzeigersinn gerichtet sind und einige im Uhrzeigersinn gerichtet sind, da in diesem Falle die auftretenden Wirbel sich sowohl in mechanischer als auch in thermohydraulischer Hinsicht gegenseitig ausgleichen können.
Die folgenden beiden Brennstoffeinheiten 3b in dem Stapel sind vom gleichen Typ, und ein horizontaler Schnitt B-B durch diese ist in Fig. 36 gezeigt. Die Brennstoffeinheit 3b hat 96 Brennstäbe, unterteilt in vier Teilbündel. Jedes Teilbündel enthält 24 Brennstäbe, die in einem inneren Ring 20a und einem äußeren Ring 20b angeordnet sind. Die Brennstabposition im Zentrum des Teilbündels ist nicht besetzt. Auf diese Weise wird ein leerer Raum im Zentrum des Brennstoffbündels geschaffen. Im übrigen ist die Brennstoffeinheit 3b in gleicher Weise aufgebaut wie die Brennstoffeinheit 3a. Der leere Raum bildet den unteren Teil eines vertikalen Dampfkanals, der sich durch die sechs oberen Brennstoffeinheiten des Brennelements erstreckt. In den beiden untersten Brennstoffeinheiten 3a sind keine Dampfkanäle erforderlich, da es dort keinen Dampf gibt, es ist aber andererseits ein Vorteil, die Wirbelbildung bereits hier einzuleiten.
In dem Brennelement sind vier Dampfkanäle 16a, 16b, 16c, 16d vorhanden, eine in jedem Teilbündel. Durch die geneigten Brennstäbe in den Teilbündeln erreicht man einen Wirbel aus Wasser und Dampf um den Dampfkanal. Die Richtungen der Wirbel sind durch Pfeile in den Dampfkanälen gekennzeichnet. In diesen Wirbeln werden Wasser und Dampf von einander getrennt, indem das Wasser nach außen und damit weg von dem Dampfkanal geschleudert wird, während der Dampf zum Zentrum des Wirbels gedrückt wird. Wegen der geringen Dichte des Dampfes und dem geringen Strömungswiderstand im Dampfkanal wird der Dampf mit hoher Geschwindigkeit durch den Dampfkanal nach oben strömen und durch den oberen Teil des Brennelements verschwinden. Auf diese Weise wird der Volumenprozentsatz des Dampfes im Kühlmittel reduziert.
Auf die Brennstoffeinheiten 3b in dem Stapel sind zwei Brennstoffeinheiten 3c gestapelt. Fig. 3c zeigt einen horizontalen Schnitt C-C durch diese. Die Brennstoffeinheit 3c hat 88 Brennstäbe, und jedes Teilbündel enthält 22 Brennstäbe. In einem Teilbündel ist die Brennstabposition im Zentrum nicht besetzt, und zusätzlich sind zwei Positionen des inneren Ringes nicht besetzt. Im übrigen ist die Brennstoffeinheit 3c in gleicher Weise aufgebaut wie die Brennstoffeinheit 3a. Durch Vergrößerung der Anzahl der nichtbesetzten Brennstabpositionen erhalten die Dampfkanäle 16a, 16b, 16c, 16d eine größere Querschnittsfläche in diesen Brennstoffeinheiten im Vergleich mit den Brennstoffeinheiten 3b weiter unten im Brennelement. Auf diese Weise haben die Dampfkanäle im Brennelement nach oben hin eine zunehmende Querschnittsfläche und damit ein zunehmendes Volumen, was erforderlich ist, da der Prozentsatz an Dampf, der abgeführt werden soll, zum oberen Ende des Brennelement zunimmt.
Oben im Brennelement sind zwei Brennstoffeinheiten 3d aufeinander gestapelt. Ein horizontaler Schnitt D&sub1;-D&sub1; durch die Brennstoffeinheit 3d unmittelbar oberhalb der unteren Verbundplatte ist in Fig. 3d gezeigt. Die Brennstoffeinheit 3d hat 80 Brennstäbe, und jedes Teilbündel enthält 20 Brennstäbe. In einem Teilbündel sind die Brennstabposition im Zentrum und vier Positionen des inneren Ringes nicht besetzt. Die unbesetzten Brennstabpositionen sind diejenigen, die am dichtesten am Zentrum der Brennstoffeinheit liegen. Im übrigen ist die Brennstoffeinheit 3d in der gleichen Weise aufgebaut wie das Brennstoffeinheit 3a. Die Dampfkanäle 16a, 16b, 16c, 16d haben ihre größte Querschnittsfläche in diesen beiden obersten Brennstoffeinheiten. Die Dampfkanäle haben ihre Ausgänge 21 durch Löcher in der oberen Verbundplatte der obersten Brennstoffeinheit des Stapels.
Um zu zeigen, wie die Gitterpositionen der Brennstäbe zwischen der oberen Verbundplatte und der unteren Verbundplatte verschoben sind, zeigt Fig. 3e einen horizontalen Schnitt D&sub2;-D&sub2; in halber Höhe durch die Brennstoffeinheit 3d. Fig. 3f zeigt einen horizontalen Schnitt D&sub3;-D&sub3; durch die Brennstoffeinheit unmittelbar unter der oberen Verbundplatte. Eid Brennstab verlagert seine Gitterposition um einen Schritt im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn innerhalb des Ringes, zu dem er gehört. Es ist speziell gezeigt, wie die Brennstäbe 4b, 4c, 4d, 4e auf dem inneren Ring um einen Schritt in die nächste Gitterposition gegen den Uhrzeigersinn im inneren Ring verschoben sind.
Die bisher beschriebene Ausführungsform basiert auf einem orthogonalen Gitter mit identischen oberen und unteren Verbundplatten in Bezug auf die Gitterpositionen. Die Erfindung kann jedoch ohne weiteres auch angewendet werden, wenn das Gitter irregulär ist, und die Gitterpositionen brauchen auch nicht in den oberen Verbundplatten und den unteren Verbundplatten identisch zu sein. Die Brennstäbe können auch in unterschiedlichem Grade in derselben Brennstoffeinheit geneigt sein. Solche Ausführungsformen können beispielsweise bevorzugt werden zur Vergrößerung des Ab standes zwischen Brennstäben, welche die Richtung ihrer Neigung in den Ecken ändern.
In Fig. 5 sind die untere Verbundplatte und die obere Verbundplatte mit erweiterten Löchern 16 für die Passage des Dampfes in den Dampfkanälen versehen. Um die Wirbel um den Dampfkanal zu verstärken, ist sowohl die untere Verbundplatte als die obere Verbundplatte mit Leitbleche um diese erweiterten Löcher 16 versehen, die so orientiert sind, daß der Wirbel verstärkt wird. Fig. 5 zeigt einen Teil der unteren Verbundplatte für die Brennstoffeinheit 3b in einem Schnitt G-G durch Fig. 2. Um das Loch 16 herum sind Leitbleche 17 angeordnet, um das Wasser und den Dampf in Richtung zum Wirbel zu lenken. Es ist wichtig, den Unterschied zwischen diesen Leitblechen 17 und jenen bekannten Leitblechen zu beachten, die häufig an Abstandshaltern in sowohl Siedewasserreaktoren als auch Druckwasserreaktoren angeordnet sind, um das Kühlmittel in einem Teilkanal zwischen vier benachbarten Stäben zu mischen und somit den Sicherheitsabstand gegen Austrocknen zu verbessern. In diesem Fällen sind die bekannten Leitbleche so angeordnet, daß sie den mikroskopischen Wirbel verstärken.
Es gibt weitere Möglichkeiten, um die oben genannte Verstärkung des Wirbels zu erreichen, beispielsweise durch Verdrehen von Bändern in der oberen und unteren Verbundplatte in eine Neigung von 45º zur Horizontalebene. Die obere Verbundplatte und/oder die untere Verbundplatte kann mit einem Rahmen versehen werden, der seinerseits schräg positionierte Leitbleche oder Abbiegungen haben kann.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können alle Brennstäbe gerade sein, und die Wirbel können durch andere Mittel erzeugt werden, wie beispielsweise durch Leitbleche an der unteren Verbundplatte und der oberen Verbundplatte. Um die Brennstäbe zu dichten, sind sie an ihrem oberen Ende mit einem oberen Pfropfen und an ihrem unteren Ende mit einem unteren Pfropfen versehen. Diese unteren und oberen Pfropfen können ebenfalls mit Leitblechen oder anderen Vorrichtungen versehen sein, um einen Wirbel in dem Teilbündel zu erzeugen.

Claims

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor, durch welches während des Betriebes des Reaktors Wasser von unten nach oben strömen kann, wobei ein Teil des Wassers in Dampf übergeht, zu welchem Brennelement gehören:

- mindestens ein Brennstoffbündel, welches eine Vielzahl von Brennstäbe (4) enthält,

- ein Dampfkanal (16a, 16b, 16c, 16d), der aus einem leeren Raum besteht und der sich mindestens durch einen Teil des Brennstoffbündels erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß es ferner außerhalb des Dampfkanal Mittel enthält, um das Wasser und den Dampf um den Dampfkanal in Rotation zu versetzen, so daß ein Wirbel zur Trennung des Dampfes von dem Wasser entsteht, wobei der von dem Wasser getrennte Dampf durch den Dampfkanal nach oben strömt.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkanal (16a, 16b, 16c, 16d) einen zum Ausgang (21) hin zunehmenden Querschnitt hat.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement eine Mehrzahl von parallelen Dampfkanälen (16a, 16b, 16c, 16d) hat.

4. Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement so beschaffen ist, daß das Kühlwasser veranlaßt wird, um einen ersten Dampfkanal (16a, 16c) im Uhrzeigersinn zu rotieren und um einen zweiten Dampfkanal (16b, 16d) gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren.

5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement eine Vielzahl von Brennstoffeinheiten (3a, 3b, 3c, 3d) enthält, die übereinandergestapelt sind wobei jede Brennstoffeinheit eine obere Verbundplatte (5), eine untere Verbundplatte (6) und eine Vielzahl von Brennstäben (4) hat, die sich zwischen der oberen Verbundplatte und der unteren Verbundplatte erstrecken, und daß mindestens bestimmte dieser Brennstoffeinheiten (3b, 3c, 3d) einen leeren Raum aufweisen, der sich zwischen der unteren Verbundplatte und der oberen Verbundplatte erstreckt und der einen Teil des genannten Dampfkanals (16a, 16b, 16c, 16d) bildet.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens bestimmte dieser Brennstoffeinheiten die Mehrzahl der Brennstäbe im Verhältnis zur Längsrichtung des Brennelements in der Weise geneigt angeordnet ist, daß das Wasser und der Dampf veranlaßt werden, um den Dampfkanal zu rotieren.

7. Brennelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bei bestimmten dieser Brennstoffeinheiten die untere Verbundplatte und/oder die obere Verbundplatte mit Vorrichtungen (17) versehen ist/sind zur Lenkung des Wassers und des Dampfes in der Weise, daß diese um den Dampfkanal rotieren.

8. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bestimmte Brennstäbe mit Vorrichtungen versehen sind zur Verstärkung der Rotation des Wasserstromes um den Dampfkanal.