DE3811134A1

DE3811134A1 - Brennelementkasten

Info

Publication number: DE3811134A1
Application number: DE3811134A
Authority: DE
Inventors: Koichi Sakurada; Koji Hiraiwa; Yoshihira Ando; Yoshiro Kudo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-04-02
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1988-10-20
Anticipated expiration: 2008-04-01
Also published as: SE503243C2; SE8801198D0; US4863680A; DE3811134C3; DE3811134C2; SE8801198L

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennelementkasten zur Verwen dung in einem Leichtwasserkernreaktor gemäß dem Gattungsbe griff des Patentanspruches 1.

In den letzten Jahren führt die Tendenz, die Kapazität bei der Energieerzeugung mittels Leichtwasserkernreaktoren zu erhöhen, zu der Forderung, die Wirtschaftlichkeit der Ener gieerzeugung zu verbessern. Deshalb sind verschiedene Ver besserungen bei Kernbrennstoffkästen (Brennelementkästen) vorgenommen worden. Da eine Verlängerung des Brennstoffab brandes ein wirksamer Schritt bei der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Energieerzeugung ist, wird ein ver längerter Brennstoffabbrand bei der Reaktorkernbetriebscha rakteristik angestrebt.

Bisher ist der Kernbrennelementkasten, wie er in einem Sie dewasserreaktor (SWR) eingesetzt wird, in der Weise aufge baut, daß zylindrische Brennstäbe, von denen jeder Kern brennstoff-Pellets dicht einschließt, in einem Muster eines tetragonalen Gitters aus acht Reihen und acht Spalten, innerhalb eines Kanalkastens angeordnet wird und im mittle ren Bereich des horizontalen Querschnitts im Innern des Ka nalkastens zwei Wassersäulen bzw. Wasserstäbe eingesetzt werden.

Im Kern des Siedewasserreaktors sind benachbarte Kanalkä sten durch einen Wasserspalt voneinander getrennt, dessen Breite annähernd im Bereich von 10 bis 20 mm liegt, und es sind in diesem Wasserspalt kreuzförmige Regelstäbe einge setzt. Im Siedewasserreaktor siedet das innerhalb der Ka nalkästen strömende Leichtwasser und bildet im Betriebszu stand des Reaktors eine Zweiphasenströmung, die im Schnitt etwa 40 Vol.-% Dampf enthält. Im Gegensatz hierzu siedet das durch den Wasserspalt außerhalb der Kanalkästen strö mende Leichtwasser, auch wenn der Reaktor in Betrieb ist, das heißt Leistung abgibt, nicht. Zufolge des Effektes, der beim Moderieren bzw. Abbremsen der Neutronen durch das im Wasserspaltbereich vorhandene Leichtwasser auftritt, neigt die thermische Neutronenflußverteilung in horizontaler Richtung des Brennelementkastens dazu, sich gegen die Peri pherie hin zu vergrößern und gegen die Mitte hin abzuneh men. Der Brennelementkasten ist deshalb in der Nähe seiner Mitte mit zwei Wasserstäben versehen, durch deren Inneres nicht siedendes Wasser hindurchgeleitet werden kann. Die Wasserstäbe spielen zufolge des Effektes, der beim Moderie ren der Neutronen durch das hindurchgeleitete Wasser auf tritt, die Rolle, den thermischen Neutronen-Nutzungsfaktor durch Mäßigen der Schwächung des thermischen Neutronenflus ses im mittleren Teil zu verbessern, den Spitzenwert in der Ausgangsleistung zu verringern und den thermischen Neutro nenfluß innerhalb des Bündels zu erhöhen.

Der effektive Multiplikationsfaktor des Kerns eines thermi schen Reaktors kann ausgedrückt werden durch die folgende Vierfaktoren-Formel:

K _eff = ε × η × f × p × P _L

wobei

K _eff = effektiver Multiplikationsfaktor, ε = Schnellspaltfaktor, η = Regenerierungsfaktor, f = thermischer Nutzungsfaktor, p = Resonanzentweichwahrscheinlichkeit bzw. Brems nutzung und P _L = Maß der Neutronenentweichung aus dem Kern.

Die oben erwähnten Wasserstäbe dienen dazu, den effektiven Multiplikationsfaktor durch Erhöhen des thermischen Nut zungsfaktors f zu vergrößern.

Die Anstrengungen, den Abbrand zur Verringerung der Brenn stoffkosten zu verlängern, haben jedoch eine Verschlimme rung in der Fehlanpassung der Ausgangsleistung zwischen den Brennelementkästen zur Folge und damit eine Verstärkung solcher thermischer Beschränkungen wie der maximalen li nearen Leistungsdichte und des minimalen kritischen Lei stungsverhältnisses.

Derzeit wird die Brauchbarkeit eines Brennelementkastens mit einer erhöhten Anzahl, wie neun Reihen × neun Spalten, von Brennstoffstäben als Gegenmaßnahme untersucht. Eine Vergrößerung der Anzahl der Brennstoffstäbe bedingt jedoch eine Verringerung des Außendurchmessers der einzelnen Brennstoffstäbe, eine Zunahme der Resonanzabsorptionswahr scheinlichkeit und eine Abnahme der Resonanzentweichwahr scheinlichkeit, so daß die durch das Einbringen der Wasser stäbe erreichte Verbesserung des thermischen Nutzungsfak tors im Effekt wieder aufgehoben wird.

Für eine erfolgreiche Produktion eines Brennstoffes, der eine Verlängerung des Abbrandes zuläßt und sich gleichzei tig durch Herabsetzung der Brennstoffkosten pro Zyklus aus zeichnet, muß den Forderungen einer Verbesserung des ther mischen Nutzungsfaktors und einer Zunahme der Resonanzent weichwahrscheinlichkeit gleichzeitig genügt werden.

Die angestrebte Streckung des Abbrandes macht eine Zunahme in der Anreicherung der spaltbaren Plutonium-Isotope von Uran-235 im Brennstoff erforderlich und hat verschiedene Auswirkungen auf die Kerncharakteristik des Reaktors zur Folge. Bei allen Auswirkungen bilden die Verringerung des unterkritischen Zustandes (Abschalttoleranz) während der Periode des kalten Zustands und die Zunahme in der Änderung der Kernreaktivität (Blasen- bzw. Leerraumkoeffizient der Reaktivität und Moderatortemperaturreaktivitätskoeffizient) infolge der Änderung in der Dichte des Moderators die größten Probleme für die Konstruktion. Ein möglicher Weg zur Überwindung dieser Probleme kann darin gesehen werden, das Verhältnis von Wasser zu Brennstoff zu vergrößern. Eine Vergrößerung im Volumen des Leichtwasserbereiches hat je doch eine Zunahme des Kernvolumens und eine Zunahme der Konstruktionskosten des Reaktors zur Folge. Eine Abnahme in der Menge des Brennstoffmaterials führt zu einer Vergröße rung in der Anzahl der Brennelementkästen, die pro Zyklus ersetzt werden müssen und zu einer Abnahme in der Wirt schaftlichkeit des Brennstoffes.

Für eine erfolgreiche Produktion eines Brennelementkastens, der die Forderung einer Verlängerung des Abbrandes bei einer ausgezeichneten Kerncharakteristik erfüllt, ist es deshalb außerdem erforderlich, die Abschalttoleranz bei einer Reaktorstörung zu erhöhen und den Moderatordichtere aktivitätskoeffizienten zu verringern ohne eine Zunahme im Volumen des Leichtwassers oder eine Abnahme in der Menge der Brennstoffsubstanz in Kauf nehmen zu müssen.

Einige Siedewasserreaktoren weisen eine Kernkonstruktion auf, die als D-Gitter-Kern bezeichnet wird. In diesem Kern sind weite Spalte vorgesehen, die das Einsetzen von Regel stäben erlauben. Enge Spalte, die das Einsetzen von Regel stäben nicht erlauben, sind außerhalb eines Kanalkastens ausgebildet. Die Breite der weiten Spalte ist etwa zweimal so groß wie die der engen Spalte.

Im D-Gitter-Kern wird die Leistung deshalb mehr von den Ecken, die durch die Seiten mit dem weiten Spalt gebildet werden als von den Ecken, die durch die Seiten mit dem engen Spalt gebildet werden, ausgegeben. Die Leistung wird auch mehr von den an der Grenze zu diesen Spalten liegenden Brennstoffstäben ausgegeben als von denen, die nicht an diese Spalte angrenzen. Die Angleichung der Leistung wird deshalb durch Anordnen einer Vielzahl von Typen von Uranstäben mit unterschiedlicher Anreicherung erreicht.

Zur Erhöhung des Durchschnittswerts in der Anreicherung im Brennelementkasten dieser Art ist es erforderlich, nicht nur Wasserstäbe und Gadolinstäbe hinzuzufügen, sondern auch die Anzahl der Arten von Uranstäben zu vergrößern, die sich in der Anreicherung (im folgenden Spaltzahl genannt) unter scheiden. Das Hinzufügen von Gadolinstäben und die Erhöhung der Spaltzahl ist jedoch im Hinblick auf eine Verringerung der Kosten für einen Brennzyklus nicht erwünscht.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Brennelementkasten verfügbar zu machen, der sich im Hinblick auf Wirtschaft lichkeit auszeichnet, da er während des Betriebs, vergli chen zu bekannten Brennelementkästen, einen vergrößerten Multiplikationsfaktor aufweist, der ferner eine Abschaltto leranz für eine Reaktorstörung aufweist, die ausreicht, um der Anforderung für eine Verlängerung des Abbrandes und einer effektiven Verbesserung des Moderatordichtereaktivi tätskoeffizienten zu genügen und der während des Betriebs eine großzügige thermische Toleranz gewährleistet.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Brennelementka sten verfügbar zu machen, der den Einsatz von Gadolinstäben minimiert und es vermeidet, bei der Verbesserung des Durch schnittsgrades der Anreicherung des Brennelementkastens die Spaltzahl vergrößern zu müssen und der, verglichen mit be kannten Brennelementkästen gleichen durchschnittlichen Gra des der Anreicherung und gleichen Volumenverhältnisse von Wasser zu Brennstoff, eine große Reaktivität während der Leistungsabgabe aufweist, eine kleine lokale Spitzenlei stung besitzt und einen kleinen Unterschied in der Reakti vität während der Leistungsabgabe und während der Periode im kalten Zustand.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 ge kennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Brennelementkasten gemäß dieser Erfindung ist aufgebaut aus kleinen Einheiten, von denen jede eine kleine Anzahl an Brennstäben enthält, die gebündelt im Abstand voneinander mit einem festen Mittenabstand angeordnet sind, wobei eine Vielzahl derartiger kleiner Einheiten so angeordnet ist, daß der Mittenabstand zwischen den Brennstäben, die einan der gegenüberliegende Seiten benachbarter kleiner Einheiten bilden, kleiner ist als der Mittenabstand zwischen benach barten Brennstäben innerhalb der kleinen Einheiten und daß ein Wasserstab in der Nähe der Mitte einer Gruppe aus einer Vielzahl kleiner Einheiten angeordnet ist. Bei dieser Kon struktion weist der Brennelementkasten eine hervorragende Wirtschaftlichkeit im Brennstoff auf, gewährleistet eine weite Abschalttoleranz, selbst wenn der zu benutzende Brennstoff eine hohe Anreicherung aufweist und erlaubt eine Abnahme im Moderatordichtereaktivitätskoeffizienten.

Die Erfindung wird anhand von 57 Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Querschnittsan sicht, die einen typischen Brenn elementkasten gemäß einer Ausfüh rungsform dieser Erfindung dar stellt,

Fig. 2a und 2b vergrößerte schematische Quer schnittsansichten eines bekannten Brennelementkastens und des Brenn elementkastens nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschauli chung der Beziehung zwischen der Differenz von P ₁ und P ₂ und der Resonanzentweichwahrscheinlichkeit p, des thermischen Nutzungsfaktors f und des Produkts p × f hiervon während des Betriebszustands eines Kernreaktors,

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Differenz von P ₂ und P ₁ und der Resonanzentweichwahr scheinlichkeit p, des thermischen Nutzungsfaktors f und dem Produkt p × f hiervon während der Periode des kalten Zustandes darstellt,

Fig. 5 eine schematische Querschnitts ansicht, die einen typischen Brennelementkasten gemäß einer wei teren Ausführungsform dieser Er findung darstellt,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht, die kurze Brennstäbe veranschaulicht,

Fig. 7 bis 16 schematische Querschnittsansich ten typischer Brennelementkästen gemäß einer weiteren Ausführungs form dieser Erfindung,

Fig. 17 eine schematische Querschnittsan sicht zur Darstellung eines ty pischen Brennelementkastens einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung,

Fig. 18a und 18b vergrößerte schematische Schnitt ansichten eines bekannten Brenn elementkastens und des Brennelement kastens nach Fig. 17,

Fig. 19 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Summe von W ₁ + W ₂ und dem Multiplikationsfaktor als Funktion des Verhältnisses von W ₂ und W ₁ in der Periode des kal ten Zustandes darstellt,

Fig. 20 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Summe von W ₁ + W ₂ und dem Multiplikationsfaktor als Funktion des Verhältnisses von W ₂ und W ₁ während des Betriebszu standes darstellt,

Fig. 21 bis 25 schematische Querschnittsansich ten zur Veranschaulichtung typi scher Brennelementkästen gemäß wei terer Ausführungsformen dieser Erfindung,

Fig. 26 eine schematische Querschnittsan sicht zur Veranschaulichung eines typischen Brennelementkastens einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung,

Fig. 27 bis 30 schematische Querschnittsansich ten, die typische Brennelementkä sten gemäß weiterer Ausführungs formen dieser Erfindung darstel len,

Fig. 31 ein Diagramm, das den Unterschied von Reaktivität und örtlicher Leistungsspitze zwischen den Brennelementkästen nach den Fig. 26, 27 und 29 sowie dem bekannten Brennelementkasten veranschaulicht,

Fig. 32 bis 57 schematische Querschnittsansich ten zur Veranschaulichung typi scher Brennelementkästen weiterer Ausführungsformen dieser Erfin dung.

Es werden nun die Ausführungsformen dieser Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Fig. 1 stellt einen typischen Brennelementkasten gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung dar. In dem Brenn elementkasten 11 dieser Ausführungsform sind kleine Einhei ten 13 gebildet, in denen jeweils in einer quadratischen Matrix aus drei Reihen und drei Spalten Brennstäbe 12 ange ordnet sind. Insgesamt sind 8 derartiger kleiner Einheiten 13 in einem Kanalkasten 14 von quadratischem Querschnitt enthalten. Im mittleren Bereich des Kanalkastens 14 ist ein Wasserstab 15 angeordnet, dessen Außendurchmesser einer Seite des Quadrats der kleinen Einheit 13 gleich ist.

Der Mittenabstand P ₂, d. h. der Abstand zwischen den Mittel achsen zweier benachbarter Brennstäbe 12, die jeweils zwei benachbarten kleien Einheiten 13 angehören, ist größer als der Mittenabstand P ₁ zwischen benachbarten Brennstäben 12, die einer und derselben kleinen Einheit 13 angehören, so daß beispielsweise der Beziehung P ₂ = 1,5 × P ₁ genügt wird. Der Außendurchmesser des Brennstabes 12 beträgt z. B. 11 mm und der Innendurchmesser des Wasserstabes 15 etwa 42 mm.

In einem Siedewasserreaktor ist eine Vielzahl derartiger Brennelementkästen 11 des beschriebenen Aufbaus angeordnet. In den zwischen benachbarten Kanalkästen 14 vorhandenen Wasserspaltbereichen wird Leichtwasser, das nicht siedet, hindurchgeleitet. In die Wasserspaltbereiche sind kreuzför mige Regelstäbe 16 eingesetzt.

Fig. 2 vergleicht den Brennelementkasten 11 gemäß dieser Erfindung mit einem bekannten Brennelementkasten. Wie in Fig. 2(a) dargestellt, sind beim bekannten Brennelementka sten sämtliche Brennstäbe 3 im vorgegebenen Abstand P ₀ an geordnet. Beim Brennelementkasten 11 gemäß der Erfindung ist der oben erwähnte Mittenabstand P ₁ kleiner als P ₀ und der Mittenabstand P ₂ größer als P ₀.

Damit ist bei dem Brennelementkasten 11 die Resonanzent weichwahrscheinlichkeit, d. h. die Bremsnutzung, größer als bei dem bekannten Brennelementkasten 1, da der gegenseitige Effekt der Brennstäbe 12, die Resonanzenergieneutronen ab zuschirmen, bei der erstgenannten Anordnung größer als bei der zuletztgenannten Anordnung ist. Sodann ist der thermi sche Nutzungsfaktor bei dem Brennelementkasten 11 kleiner als bei dem Brennelementkasten 1, da der thermische Neutro nenfluß längs der Grenze zwischen benachbarten kleinen Einheiten 13 groß ist und innerhalb der kleinen Einheiten 13 klein ist. Das Maß dieser Verringerung im thermischen Nutzungsfaktor nimmt entsprechend zu, wenn das Verhältnis zwischen der Breite des zwischen benachbarten kleinen Ein heiten 13 gebildeten Spaltes, nämlich die in Fig. 2(b) angegebene Distanz W zur Diffusionslänge der thermischen Neutronen zunimmt. Die Diffusionslänge der thermischen Neutronen nimmt mit abnehmender Dichte des Wassers zu und nimmt mit zunehmender Dichte des Wassers ab. Das Maß der Abnahme des genannten thermischen Nutzungsfaktors ist klein während des Betriebszustands und groß während der Periode des kalten Zustandes. Das Maß der Zunahme der Resonanzent weichwahrscheinlichkeit ist während des Betriebszustandes größer als während der Periode des kalten Zustandes, da der gegenseitige Effekt der Abschirmung entsprechend der Abnah me der Dichte des Wasser zunimmt.

Infolge der beschriebenen Wirkungen ist die Zunahme in der Resonanzentweichwahrscheinlichkeit sehr viel größer als die Abnahme im thermischen Nutzungsfaktor während des Betriebs zustands und die Abnahme im thermischen Nutzungsfaktor größer als die Zunahme in der Resonanzentweichwahrschein lichkeit während der Periode des kalten Zustandes, wenn kleine Einheiten 13 aus z. B. drei Reihen und drei Spalten bis fünf Reihen und fünf Spalten im Siedewasserreaktor be nutzt werden.

Die Diagramme gemäß den Fig. 3 und 4 stellen die relativen Änderungen der Resonanzentweichwahrscheinlichkeit p, des thermischen Nutzungsfaktors f und des Produkts p × f dar während des Betriebszustandes bzw. während der Periode des kalten Zustandes, wobei auf der horizontalen Achse das Dif ferenzmaß von P ₂ und P ₁ aufgetragen ist.

Da während des Betriebszustandes die Dichte des Wassers klein ist und die Diffusionslänge der thermischen Neutronen groß, fällt der thermische Nutzungsfaktor f leicht ab, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt ist, wenn die Differenz zwischen P ₂ und P ₁ größer wird. Während der Zeitdauer des kalten Zustandes fällt, da die Dichte des Wassers groß und die Diffusionslänge der ther mischen Neutronen klein ist, der thermische Nutzungsfaktor f, verglichen zu der Änderung während des Betriebszustan des, stark ab, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 dargestellt ist.

Im Gegensatz hierzu nimmt sowohl während des Betriebszu standes als auch während der Periode des kalten Zustandes die Resonanzentweichwahrscheinlichkeit p bei einer Ver größerung des Unterschieds zwischen P ₂ und P ₁ zu, wie dies durch die strichpunktierte Linie in den Fig. 3 und 4 darge stellt ist. Es bleibt jedoch die Tatsache bestehen, daß die Wahrscheinlichkeit einer Abbremsung der Resonanzenergieneu tronen durch das Wasser während ihres Laufs zwischen den Brennstäben mit zunehmender Dichte des Wassers zunimmt. Die Änderung in der Resonanzentweichwahrscheinlichkeit ist des halb geringfügig kleiner während der Periode des kalten Zu standes als im Betriebszustand, da der gegenseitige Ab schirmeffekt auf die Resonanzenergieneutronen durch die Brennstäbe entsprechend der Zunahme der Dichte des Wassers abnimmt.

Der effektive Multiplikationsfaktor des Kerns ist, wie oben beschrieben, direkt proportional zum Produkt p × f. Wie in Fig. 3 durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, nimmt das Produkt p × f mit einer Vergrößerung des Abstandes zwi schen P ₂ und P ₁ während des Betriebszustandes zu. Es folgt, daß der effektive Multiplikationsfaktor durch Vergrößern des Unterschieds zwischen P ₂ und P ₁ erhöht werden kann. Falls der Unterschied zwischen P ₂ und P ₁ über den in Fig. 3 dargestellten Bereich hinaus vergrößert wird, wird jedoch die Abnahme von f größer und der effektive Multiplikations faktor beginnt, selbst während des Betriebszustandes, zu sinken.

Durch die augezogene Linie in Fig. 4 ist angezeigt, daß das Produkt p × f bei einer Vergrößerung des Unterschieds zwischen P ₂ und P ₁ während der Periode des kalten Zustandes abnimmt, im Gegensatz zu diesem Produkt p × f während des Betriebszustandes. Dies bedeutet, daß der effektive Multi plikationsfaktor mit einer Vergrößerung des Unterschieds zwischen P ₂ und P ₁ abnimmt.

Abweichend vom bekannten Brennelementkasten 1, bei dem alle Brennstäbe 3 in einem festen Abstand voneinander angeordnet sind, kann durch den Brennelementkasten 11 gemäß dieser Ausführungsform die Wirtschaftlichkeit verbessert werden, indem der effektive Multiplikationsfaktor des Kerns während des Betriebszustandes erhöht wird, und es kann die Toleranz bzw. der Sicherheitsabstand bei einer Reaktorstörung ver größert werden, indem der effektive Multiplikationsfaktor während der Periode des kalten Zustandes verringert wird.

Bei einem Leichtwasserreaktor, bei dem kreuzförmige Regel stäbe benutzt werden, sind außerhalb der Kanalkästen Was serspaltbereiche einer Breite, die annähernd im Bereich von 10 bis 20 mm liegt, gebildet. Die Folge ist, daß die ther mische Neutronenflußverteilung in horizontaler Richtung ge gen die Peripherie des Brennelementkastens 11 hin zunimmt und gegen die Mitte hin abnimmt. Der thermische Nutzungs faktor kann weiter verbessert und die Wirtschaftlichkeit erhöht werden, indem diese thermische Neutronenflußvertei lung gleich gemacht wird. Auch um die Forderung für eine Verlängerung des Abbrandes zu erfüllen, müßten Anstrengun gen im Hinblick auf eine solche Verbesserung unternommen werden.

Die vorliegende Erfindung sieht vor, im mittleren Bereich des Brennelementkastens einen Wasserstab 15 mit großem Durchmesser anzuordnen, der gleich einer Seite der quadra tischen Matrix aus drei Reihen und drei Spalten der Brenn stoffstäbe 12 ist, wie dies Fig. 1 zeigt. Zusätzlich zu dem Wasser innerhalb des Wasserstabes 15 ist durch die kleinen Einheiten 13 der den Wasserstab 15 umgebende Wasserbereich vergrößert. Infolge des Wasserstabes 15 und des Wasserbe reiches zwischen dem Wasserstab 15 und den kleinen Einhei ten 13 wird der thermische Neutronenfluß im mittleren Be reich des Brennelementkastens 11 so stark erhöht, daß die thermische Neutronenflußverteilung vergleichmäßigt wird. Als Folge hiervon zeichnet sich der Brennelementkasten ge mäß dieser Ausführungsform durch einen großen thermischen Nutzungsfaktor und erhöhte Wirtschaftlichkeit verglichen zum bekannten Brennelementkasten aus.

Bei dem beschriebenen Brennelementkasten 11 ist der Kühl mittelströmungsweg, der den in der Mitte der jeweiligen kleinen Einheit 13 liegenden Brennstab umgibt, eng vergli chen zu dem der einen der anderen Brennstäbe 12 der glei chen kleinen Einheit umgibt. Deshalb kann es sein, daß der in der Mitte der kleinen Einheit 13 angeordnete Brennstab 12 einer erhöhten thermischen Beschränkung unterworfen wer den muß. Für das Problem dieser Art erweist sich der in Fig. 5 dargestellte Brennelementkasten 11 a als eine wirk same Lösung. Bei diesem Brennelementkasten 11 a ist der Brennstab 12 in der Mitte jeder der kleinen Einheiten 13 ersetzt durch einen Brennstab 20, der in Achsrichtung nur eine Teillänge verglichen zur Länge der übrigen Brennstäbe aufweist. Dieser Brennstab 20 kann ausgebildet sein in Form eines Kurzbrennstabes 20 a, der einen verkürzten oberen Be reich aufweist, in Form eines Kurzbrennstabes 20 b mit einem verkürzten unteren Bereich oder in Form eines Kurzbrennsta bes 20 c mit einem verkürzten oberen und einem verkürzten unteren Bereich, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die Kurzbrennstäbe 20 b bzw. 20 c gemäß dieser Ausführungsform können auf die gleiche Weise mittels Abstandhaltern posi tioniert werden, wie dies bei bekannten Siedewasserreakto ren der Fall ist. Diese Abstandhalter, die aus mehreren, senkrecht voneinander getrennten Elementen bestehen, können sämtliche Brennstäbe, die in insgesamt acht kleinen Einhei ten vorhanden sind, halten. Es können auch getrennte Ab standhalter für jede dieser kleinen Einheiten verwendet werden.

Das Problem, daß der in der Mitte einer kleinen Einheit 13 angeordnete Brennstab einer erhöhten thermischn Begrenzung unterworfen ist, kann auch auf andere Weise gelöst werden, indem Brennstäbe mit kleinerem Durchmesser als dem der üb rigen Brennstäbe 12 anstelle von den erwähnten Kurzbrenn stäben 20 vorgesehen werden. Alternativ kann dieses Problem gelöst werden durch Verwendung von Wasserstäben 30 anstelle sämtlicher oder einiger der zentralen Brennstäbe 12 in den kleinen Einheiten 13, wie dies bei dem Brennelementkasten 11 b gemäß Fig. 7 dargestellt ist oder durch Weglassen des mittleren Brennstabes 12 in den kleinen Einheiten 13 wie in Fig. 8 dargestellt oder durch Verwendung von Brennelemen ten, die brennbare Gifte wie Gadolinoxid (Gd₂O₃) enthalten anstelle sämtlicher oder einiger der mittleren Brennstäbe 12 der kleinen Einheiten 13.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Brennelementkasten 11 nimmt der thermische Neutronenfluß zur Peripherie jeder der klei nen Einheiten 13 hin zu und zur Mitte hin ab. Es ist des halb zweckmäßig, wie bei dem Brennelementkasten 11 d in Fig. 9 dargestellt, die Anreicherung bei den peripheren Brenn stäben 12 der kleinen Einheiten 13 zur Verlängerung des Ab brandes relativ zu vergrößern und die Anreicherung bei den mittleren Brennstäben 12 der kleinen Einheiten zur Vermin derung der thermischen Begrenzung herabzusetzen. In Fig. 9 sind mit den Bezugszeichen h, H, M, L und l Brennstäbe be zeichnet, deren spaltbare Substanz in der Anreicherung in der erwähnten Reihenfolge fortlaufend abnimmt. Der Unter schied in der Anreicherung zwischen den Brennstäben h und H und zwischen den Brennstäben L und l ist jeweils kleiner als zwischen den übrigen Brennstäben.

Bei dem Brennelementkasten nach Fig. 10 sind Kurzbrennstäbe 20 a, deren oberer Teil verkürzt ist, als Brennstäbe be nutzt, die jeweils an den vier Ecken des Kanalkastens ange ordnet sind. Diese Modifikation soll die Möglichkeit aus schließen, daß der Kühlmittelfluß (Durchflußvolumen pro Querschnittseinheit) in den Teilkanälen (Teilstromfaden für das Kühlmittel) in der Nähe der Ecken des Brennelementka stens kleiner ist als der durchschnittliche Fluß im Gesamt strömungsweg des Brennelementkastens und der kritische thermische Fluß bzw. die kritische Leistung, eine der Größen der auf den Leichtwasserreaktor ausgeübten thermi schen Begrenzungen, in den Teilkanälen nahe der Ecken her abgesetzt wird.

Die Anordnung von Kurzbrennstäben 20 a an den Ecken des Brennelementkastens hat etwa den folgenden Effekt auf den kritischen thermischen Fluß (kritische thermische Lei stung).

Erstens wird der Druckverlust in den Teilkanälen, die die Kurzbrennstäbe 20 a umgeben, vermindert und der Kühlmittel fluß in diesen Teilkanälen demzufolge erhöht und der kriti sche thermische Fluß (kritisch Leistung) nimmt entspre chend zu. Insbesondere ist die Verwendung von Kurzbrennstä ben 20 a, bei denen der obere Bereich gekürzt ist, beim Sie dewasserreaktor wirksam, weil das Dampfblasenverhältnis im oberen Teil (an der stromabwärts liegenden Seite) des Kerns groß ist und der Druckverlustkoeffizient der Zweiphasen strömung deshalb im oberen Bereich des Kerns groß ist.

Zweitens ist der kritische thermische Fluß beim Siedewas serreaktor im oberen Teil des Kerns erniedrigt, da das Bla senverhältnis im oberen Teil (auf der Seite stromabwärts) des Kerns zunimmt. Damit kann die kritische Leistung durch Anordnen der Kurzbrennstäbe 20 a mit verkürztem oberen Be reich eng benachbart zu den Teilkanälen mit niedrigem kri tischen thermischen Fluß erhöht werden und damit die ther mische Belastung der Teilkanäle im oberen Bereich des Kerns vermindert werden.

Die Frage, welche Teilkanäle dem größten kritischen thermi schen Fluß (der kritischen Leistung) ausgesetzt sind, hängt vom Entfernungsmaß der Brennstoffstäbe, z. B. dem Abstand zwischen der Oberfläche der äußersten Brennstäbe 12 und der Oberfläche des Kanalkastens 14 ab. Wenn ein Brennelementka sten der in Fig. 10 dargestellten Konstruktion mit einem Brennelementkasten, wie er in bekannten Siedewasserreakto ren eingesetzt wird, verglichen wird, ist es am wirksam sten, die Kurzbrennstäbe 20 a an den Ecken oder an den (2, 2)-Positionen von den Ecken aus zu benutzen. Das Ersetzen wenigstens eines der vier Eckbrennstäbe oder der in der Nähe der Ecke liegenden Brennstäbe durch einen Kurzbrenn stab 20 ist auch effektiv im Hinblick auf eine Verbesserung des kritischen thermischen Flusses (kritische Leistung).

Es ist in diesem Fall vorteilhaft, als Kurzbrennstab 20 den beschriebenen Kurzbrennstab 20 a mit einem verkürzten oberen Bereich anstelle eines Brennstabes 12 voller Länge zu ver wenden. Die Verwendung eines Kurzbrennstabes 20 b mit einem verkürzten unteren Bereich erweist sich im Hinblick auf eine Verringerung des Druckverlustes und die Zunahme des Flusses in den umgebenden Teilkanälen als wirksam. Glei cherweise ist die Verwendung eines Kurzbrennstabes 20 c mit verkürztem oberen und verkürztem unteren Bereich wirksam im Hinblick auf eine Verbesserung des kritischen thermischen Flusses bzw. der kritischen Leistung.

Bei Verwendung des erwähnten Kurzbrennstabes 20 b und des Kurzbrennstabes 20 c ist der Brennelementkasten so aufge baut, daß er diese Kurzbrennstäbe mittels einer oberen Halteplatte oder eines Abstandsstückes festhält. Da diese Kurzbrennstäbe 20 b und 20 c nicht durch eine untere Halte platte abgestützt werden müssen, kann der Druckverlust in den Bereichen der unteren Halteplatte direkt unterhalb den Kurzbrennstäben vermindert werden. Durch diesen Effekt kön nen der kritische thermische Fluß bzw. die kritische Lei stung entsprechend verbessert werden. Die Länge der Kurzbrennstäbe soll im Bereich zwischen ¹/₂ bis ⁷/₈ der Brennstäbe mit voller Länge liegen.

Der in Fig. 11 dargestellte Brennelementkasten 11 f zeigt eine Ausführungsform mit vier kleinen Einheiten 13 a, 13 b, 13 c und 13 d, die gebildet sind durch Vergrößern der kleinen Einheiten 13 des in Fig. 10 dargestellten Brennelementka stens 11 e, so daß voneinander verschiedene Formen erhalten werden. Bei diesem Brennelementkasten sind Kurzbrennstäbe 20 a jeweils an drei Positionen in der Nähe jeder der Ecken des Brennelementkastens angeordnet.

Der in Fig. 12 dargestellte Brennelementkasten 11 g weist eine Konstruktion auf, bei der vier kleine Einheiten 13 , 13 f, 13 g und 13 h von unterschiedlichen Formen vorhanden sind und ein Wasserstab 15 b mit einem Durchmesser, der gleich einer Seite eines Quadrates ist, das vier Brennstäbe 12 enthält, etwa in der Mitte des Brennelementkastens ange ordnet ist. Bei diesem Brennelementkasten sind vier Kurz stäbe 20 a in der kleinen Einheit 13 e mit der größten Größe und zwei Kurzstäbe 20 a in jeder der übrigen kleinen Einhei ten 13 f, 13 g und 13 h angeordnet.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind jeweils als Brenn elementkasten mit neun Reihen und neun Spalten von Brenn stäben ausgebildet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktionen begrenzt.

Der Brennelementkasten 41 nach Fig. 13 ist aufgebaut aus acht Reihen und acht Spalten von Brennstäben 42. Innerhalb eines Kanalkastens 44 mit quadratischem Querschnitt sind vier kleine Einheiten 42 angeordnet, die jeweils vier Rei hen und vier Spalten von Brennstäben 42 minus einem Brenn stab enthalten. In der Mitte des Brennelementkastens ist ein Wasserstab 45 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist ähnlich wie bei den beschriebenen Ausführungsformen der Mittenabstand P ₂ größer als der Mittenabstand P ₁.

Der in Fig. 14 dargestellte Brennelementkasten 41 a veran schaulicht eine Ausführungsform, bei der Kurzbrennstäbe 20 a jeweils in einer inneren Reihe und einer inneren Spalte be nachbart zu den vier Ecken des Brennelementkastens 41 a an geordnet sind.

Der Brennelementkasten 51 nach Fig. 15 stellt eine Ausfüh rungsform dieser Erfindung für einen Siedewasserreaktor dar, bei der der Brennelementkasten größere Abmessungen als der bekannte Typ aufweist. Bei diesem Brennelementkasten 51 sind innerhalb eines Kanalkastens 54 vierzehn kleine Ein heiten 53 aus jeweils drei Reihen und drei Spalten von Brennstäben 52 angeordnet sowie etwa in der Mitte zwei Was serstäbe 55. Da der Kanalkasten 54 bei diesem Brennelement kasten 51 Seitenwände einer großen Länge aufweist, sind stark perforierte Konstruktionselemente 56 vorgesehen, die die gegenüberliegenden Seitenwände verbinden, um zu errei chen, daß die mögliche Ausbeulung des Kanalkastens 54 ver mindert wird. Diese Konstruktionselemente 56 brauchen nicht auf der gesamten axialen Länge des Kanalkastens installiert zu sein, sondern können getrennt über mehrere Stücke über einen Teil der Achsrichtung angeordnet sein. Um die Neutro nenmenge, die durch die Konstruktionselemente 56 absorbiert werden kann, zu verringern, sollen diese Konstruktionsele mente eine große Anzahl Durchgangslöcher besitzen.

Der Brennelementkasten 51 a nach Fig. 16 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der drei Kurzbrennstäbe 20 a je weils an den vier Ecken des Brennelementkastens 51 angeord net sind.

Es wird nun ein Brennelementkasten beschrieben, der so aufgebaut ist, daß der Abstand (Breite des inneren Spaltes) zwischen benachbarten kleinen Einheiten 13 innerhalb des Brennelementkastens variiert wird.

Der in Fig. 17 dargestellte Brennelementkasten 11 h veran schaulicht eine Ausführungsform, bei der die Mittenabstände P ₂ und P ₃ zwischen zwei benachbarten Brennstäben 12, die zu zwei benachbarten kleinen Einheiten 13 gehören, um sovieles größer sind als der Mittenabstand P ₁ zwischen zwei benach barten Brennstäben 12, die derselben kleinen Einheit 13 an gehören, daß z. B. die Beziehung P ₃ = 1,7 × P ₁ und P ₂ = 1,3 × P ₁ erfüllt wird.

Fig. 18 vergleicht diesen Brennelementkasten 11 h mit dem bekannten Brennelementkasten 1. Abweichend von dem bekann ten Brennelementkasten 1, dessen Brennstäbe 3 alle mit einem festen Mittenabstand P ₀ im Abstand voneinander ange ordnet sind, wie dies Fig. 18(a) zeigt, sind die Brenn stäbe des Brennelementkastens 11 h so im Abstand voneinander angeordnet, daß die Mittenabstände P ₂ und P ₃ größer als der Abstand P ₀ sind und der Mittenabstand P ₁ kleiner als P ₀ ist.

Bei dem Brennelementkasten 11 h dieses Aufbaus nimmt das Verhältnis der Absenkung des thermischen Nutzungsfaktors entsprechend zu, wenn der Abstand zwischen benachbarten kleinen Einheiten 13, d. h. das Verhältnis der Weiten W ₁, W ₂ der inneren, in Fig. 18(b) dargestellten Spalte zur Diffu sionslänge der thermischen Neutronen zunimmt.

Das Diagramm gemäß Fig. 19 zeigt die relative Änderung des Multiplikationsfaktors in Abhängigkeit von der Summe von W ₁ + W ₂ während der Periode des kalten Zustandes mit dem Ver hältnis von W ₂ zu W ₁ als Parameter.

Die Abnahme des thermischen Nutzungsfaktors verändert sich relativ zum Verhältnis des Abstandes zwischen benachbarten kleinen Einheiten 13 (den Weiten W ₁ und W ₂ der inneren Spalte) zur Diffusionslänge der thermischen Neutronen in dem betreffenden Bereich. Selbst wenn die Summe W ₁ + W ₂ als fest angenommen wird, ändert sich deshalb das Ausmaß der Abnahme im Multiplikationsfaktor mit dem Änderungsverhält nis der Weiten W ₂ und W ₁. Das Ausmaß der Abnahme des Multi plikationsfaktors ist klein, wenn die beiden Weiten W ₂ und W ₁ gleich sind und groß, wenn das Verhältnis der Weiten W ₂ zu W ₁ zunimmt.

Das während des Betriebszustandes gewonnene Diagramm gemäß Fig. 20 zeigt die gleiche Beziehung wie das Diagramm gemäß Fig. 19. Da das Ausmaß der Abnahme des thermischen Nut zungsfaktors während des Betriebszustandes verhältnismäßig klein ist, verglichen zu dem während der Periode des kalten Zustandes, ist die Änderung des Multiplikationsfaktors auf grund einer Änderung des Verhältnisses von W ₂ zu W ₁ eben falls klein. Ähnlich wie in der Periode des kalten Zustan des nimmt jedoch der Multiplikationsfaktor, wenn auch nur geringfügig, ab, wenn das Verhältnis von W ₂ zu W ₁ ansteigt.

Im Hinblick auf eine Vergrößerung der Abschalttoleranz nimmt somit hier dieser Bereich entsprechend zu, wenn das Verhältnis von W ₂ zu W ₁ zunimmt. Die Abschalttoleranz wird verbessert, wenn die Weite W ₂ (P ₃) erhöht wird auf der Grundlage der Bedingung W₁ = 0 (P ₂ = P ₁). Der Multiplika tionsfaktor während des Betriebszustandes nimmt trotzdem geringfügig ab, wenn das Verhältnis W ₂ zu W ₁ ansteigt.

Es ist deshalb erwünscht, das Verhältnis von W ₂ zu W ₁ auf eine solche Größe festzusetzen, daß die erforderliche Ab schalttoleranz im Hinblick auf den Anreicherungsgrad des Brennstoffes, die Menge an brennbarem Gift, den Reaktivi tätswert der Regelstäbe, etc. gewährleistet ist. Dies be deutet, daß die Abschalttoleranz in gewünschter Weise fest gelegt werden kann durch geeignetes Verändern der Abstände zwischen den benachbarten kleinen Einheiten 13 in ihrer re lativen Position innerhalb des Brennelementkastens.

Der Brennelementkasten 11 i nach Fig. 21 stellt eine Ausfüh rungsform dar, bei der Kurzbrennstäbe 20 a jeweils an den (2, 2)-Positionen der betreffenden Ecken des Brennelement kastens 11 h angeordnet sind. Selbst wenn die Abstände zwi schen den kleinen Einheiten 13 in ihrer relativen Lage, wie dargestellt, variiert werden, dienen die, wie oben be schrieben, angeordneten Kurzbrennstäbe 20 a dem Zweck, den sonst möglichen Abfall des kritischen thermischen Flusses oder der kritischen Leistung in den Teilkanälen in der Nähe der Ecken zu verhindern.

Auch der Brennelementkasten 11 h, bei dem die Abstände zwi schen benachbarten kleinen Einheiten 13 in ihrer gegensei tigen Lage innerhalb des Brennelementkastens variiert wer den, kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, wie dies im folgenden erläutert wird.

Der in Fig. 22 dargestellte Brennelementkasten 11 j veran schaulicht eine Ausführungsform, bei der die kleinen Ein heiten in der Konstruktion variiert sind. Der Brennelement kasten 11 j enthält kleine Einheiten 13 i aus jeweils vier Brennstäben 12, die an jeder der vier Ecken des Brennele mentkastens angeordnet sind, kleine Einheiten 13 j aus je weils zehn Brennstäben 12, die zwischen den kleinen Einhei ten 13 i liegen und eine kleine Einheit 13 k aus sechzehn Brennstäben 12, die um einen Wasserstab 15 angeordnet sind.

Der Brennelementkasten 11 k nach Fig. 23 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der der Wasserstab 15 variiert ist. Bei diesem Brennelementkasten 11 k weist der Wasserstab 15 k einen kreisförmigen Querschnitt eines Durchmessers auf, der gleich einer Seite eines Quadrats aus vier Brennstäben 12 entspricht, so daß er zu der Gesamtzahl der Brennstäbe 12, die im Brennelementkasten enthalten sind, ein Hinzufü gen weiterer Brennstäbe erlaubt.

Der Brennelementkasten 11 l nach Fig. 24 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der kleine Einheiten 13 und ein Wasserstab 15 einen modifizierten Aufbau aufweisen. Dieser Brennelementkasten 11 l enthält kleine Einheiten 13 l, von denen jede aus sechzehn Brennstäben 12 besteht. Diese Ein heiten sind jeweils an den Ecken des Brennelementkastens angeordnet. Ferner sind kleine Einheiten 13 m aus jeweils drei Brennstäben vorgesehen, die zwischen den kleinen Ein heiten 13 l und einem Wasserstab 15 l von quadratischem Quer schnitt angeordnet sind, der sich in der Mitte des Brennelementkastens befindet.

Die Erfindung kann auch in einer Konstruktion aus acht Rei hen und acht Spalten ausgeführt werden, wie dies bei dem Brennelementkasten 41 b nach Fig. 25 dargestellt ist. Bei diesem Brennelementkasten 14 b sind vier kleine Einheiten 43 a aus jeweils neun Brennstäben 42, die jeweils an den vier Ecken angeordnet sind, sowie vier kleine Einheiten 43 b aus jeweils sechs Brennstäben 42, die zwischen den kleinen Einheiten 43 a angeordnet sind, innerhalb des Kanalkastens 44 enthalten. Ein Wasserstab 45 mit kreisförmigem Quer schnitt befindet sich in der Mitte.

Bei den Brennelementkästen 11 i, 11 j, 11 k, 11 l und 41 b, die oben beschrieben worden sind, sind die einzelnen Brennstäbe mit derartigen Mittenabständen P ₃, P ₂ und P ₁ voneinander beabstandet angeordnet, daß diese Mittenabstände in der an gegebenen Reihenfolge fortlaufend abnehmen.

Es wird nun ein in einen D-Gitter-Kern einzusetzender Brennelementkasten beschrieben.

Beim D-Gitter-Kern sind an der Außenseite des Kanalkastens 104 ein weiter Spalt (GW) mit großer Weite, der das Ein setzen eines Regelstabes 106 erlaubt und ein enger Spalt (GN) mit einer kleinen Weite, in den keine Regelstäbe ein gesetzt werden sollen, ausgebildet. Die Größe des weiten Spalts ist etwa das zweifache der Größe des engen Spalts. Die Leistung wird deshalb mehr an der Ecke der Seiten des weiten Spalts als an der Ecke der Seiten des engen Spalts ausgegeben. Die an die Spalte angrenzenden Brennstäbe 102 geben eine größere Ausgangsleistung ab als die nicht an diese Spalte angrenzenden Brennstäbe.

Bei dem Brennelementkasten 101 sind deshalb vier kleine Einheiten 103 in einem Kanalkasten 104 derart ausgebildet, daß ein kreuzförmiger innerer Spalt (Spalt für den Siedewasserbereich 108 zwischen den kleinen Einheiten 103) entsteht. Die vier kleinen Einheiten 103 sind jeweils aus Brennstäben 102 in der oben beschriebenen Weise gebildet.

Ein Wasserstab (W) 105 mit einem großen Durchmesser, der einer Seite eines Quadrats aus drei Reihen und drei Spalten gleich ist, ist gegenüber der Mitte des Kanals versetzt an geordnet. Diese Versetzung geht in Richtung der den engen Spalt (GN) begrenzenden Seiten und von den den weiten Spalt (GW) begrenzenden Seiten weg.

Bei dem Brennelementkasten 101 b nach Fig. 27 sind ein Wasserstab (W) 105 a eines mittleren Querschnitts, der einer Seite eines Quadrats aus zwei Reihen und zwei Spalten der Brennstäbe 102 gleich ist sowie fünf Wasserstäbe (W) 105 b eines Durchmessers, der dem eines Brennstabes 102 gleich ist, benachbart zur Kreuzungsstelle des kreuzförmig ausge bildeten inneren Spalts 108 angeordnet, der gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung zu den beiden an den engen Spalt (GN) angrenzenden Seiten versetzt ist.

Der in Fig. 28 dargestellte Brennelementkasten 101 b′ veran schaulicht eine Ausführungsform ähnlich dem Brennelementka sten 101 b von Fig. 27, wobei jedoch abweichend hiervon ein Wasserstab (W) 105 eines großen Durchmessers anstelle des Wasserstabs (W) 105 a von mittlerem Durchmesser und den fünf Wasserstäben (W) 105 b mit kleinem Durchmesser verwendet ist.

Der in Fig. 29 dargestellte Brennelementkasten 101 c veran schaulicht eine Ausführungsform, bei der ein Wasserstab (W) 105 a von mittlerem Durchmesser, vier Wasserstäbe (W) 105 b kleinen Durchmessers und ein kreuzförmiger innerer Spalt 108 vorgesehen sind, der in Richtung der beiden an den en gen Spalt (GN) angrenzenden Seiten versetzt ist.

Der Brennelementkasten 101 c′ nach Fig. 30 stellt eine dem Brennelementkasten 10 c von Fig. 29 ähnliche Ausführungs form dar, wobei jedoch anstelle des Wasserstabes (W) 105 a von mittlerem Durchmesser und den vier Wasserstäben (W) 105 b von kleinem Durchmesser ein Wasserstab (W) 105 von großem Durchmesser verwendet ist.

Bei den Brennelementkästen 101 a, 101 b, 101 b′, 101 c und 101 c′ des beschriebenen Aufbaus sind interne Spalte und Wasserstäbe (W) unterschiedlich innerhalb der Kanalkästen 104 angeordnet. Durch Versetzen der Positionen für die inneren Spalte 108 und die Wasserstäbe (W) in Richtung des engen Spalts (GN) und damit durch Versetzen der Verteilung der Moderatoren innerhalb des Kanalkastens 104 in Richtung des engen Spalts (GN) kann der Nachteil des D-Gitter-Kerns, daß die Leistung aus den Brennstäben 102 auf der Seite des weiten Spalts (GW) dazu tendiert, verglichen zu den Brenn stäben 102 am engen Spalt (GN) anzuwachsen, beseitigt wer den.

Das Diagramm nach Fig. 31 vergleicht den bekannten Brenn elementkasten und den erfindungsgemäßen Brennelementkasten im Hinblick auf Reaktivität und örtlicher Leistungsspitze unter der Voraussetzung, daß der Gasblasenteil auf 40% eingestellt ist, das Atomzahlverhältnis von Wasser zu Brennstoff im Brennelementkasten bei einem festen Pegel (4,7) liegt, die durchschnittliche Anreicherung des Brennstoffs bei einem festen Pegel (4,5%) liegt und die Anreicherung der Brennstäbe mit Ausnahme der an den Ecken angeordneten (die Brennstäbe an den Ecken haben eine etwas niedrigere Anreicherung als es dem Durchschnitt entspricht) bei einem festen Pegel liegt. Im Diagramm ist auf der senk rechten Achse die Größe des Unterschieds des Multiplika tionsfaktors bei räumlich unendlich ausgedehntem Medium auf der Grundlage der bei dem bekannten Brennelementkasten er haltenen Daten aufgezeichnet und auf der waagerechten Achse die Größe des Unterschieds der örtlichen Leistungsspitze ebenfalls basierend auf bei dem bekannten Brennelementka sten erhaltenen Daten. Die Punkte a, b und c stellen die mit den Brennelementkästen 101 a, 101 b und 101 c erhaltenen Ergebnisse dar. Aus dem Diagramm geht klar hervor, daß die Brennelementkästen 101 a, 101 b und 101 c hervorragende Eigen schaften mit großen Multiplikationsfaktoren k∞ für ein idealisiertes, räumlich unendlich ausgedehntes Medium auf weisen trotz kleiner örtlicher Leistungsspitzen.

Bisher wurden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen die Brennelementkästen jeweils neun Reihen und neun Spalten aus Brennstäben aufweisen. Wie im folgenden gezeigt wird, kann die Erfindung in ähnlicher Weise ausge führt werden unter Verwendung von acht Reihen und acht Spalten von Brennstäben und es können dieselben Wirkungen erreicht werden wie bei neun Reihen und neun Spalten.

Bei dem Brennelementkasten 121 a nach Fig. 32 sind ähnlich wie bei den oben beschriebenen Brennelementkästen vier kleine Einheiten 123 aus Brennstäben 122 im Kanalkasten 124 derart angeordnet, daß zwischen den kleinen Einheiten 123 ein kreuzförmiger innerer Spalt 128 entsteht. In der klei nen Einheit 123, deren beide fortlaufenden Seiten an den engen Spalt (GN) angrenzen, ist ein Wasserstab (W) angeord net, dessen Durchmesser gleich ist einer Seite eines Qua drats, das zwei Reihen und zwei Spalten von Brennstäben 122 enthält.

Bei dem Brennelementkasten 121 b nach Fig. 33 ist ein Wasserstab (W) 125, dessen Durchmesser gleich einer Seite eines Quadrats aus zwei Reihen und zwei Spalten der Brenn stäbe 122 ist, nahezu in der Mitte des Kanals angeordnet und ein kreuzförmiger innerer Spalt 128 gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung auf die beiden Seiten, die an den engen Spalt (GN) angrenzen, versetzt.

Bei dem Brennelementkasten 121 c nach Fig. 34 sind vier Was serstäbe (W) 125 a, deren Durchmesser jeweils dem eines Brennstabes entspricht und ein kreuzförmiger innerer Spalt 128 beide aus der Mitte des Kanals in Richtung zu den bei den an den engen Spalt (GN) angrenzenden Seiten versetzt. Der Brennelementkasten 121 c′ nach Fig. 35 ist ähnlich wie der Brennelementkasten 121 c nach Fig. 34 aufgebaut, wobei hier jedoch anstelle der vier Wasserstäbe (W) 125 a ein ein ziger Wasserstab (W) 125 verwendet ist.

Die Erfindung läßt weitere Modifikationen zu, von denen einige im folgenden beschrieben sind.

Bei dem Brennelementkasten 101 d nach Fig. 36 sind ähnlich wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen neun kleine Einheiten 103 aus Brennstäben 102 innerhalb eines Kanalkastens 104 derart angeordnet, daß ein innerer Spalt 108 in Form der Seiten eines mittleren Quadrats entsteht, dessen Seiten sich von den Ecken aus nach außen erstrecken und ein Wasserstab (W) 105 a von mittlerem Durchmesser, der der Seite eines Quadrats aus zwei Reihen und zwei Spalten von Brennstäben 102 entspricht, sowie fünf Wasserstäbe (W) 105 b von kleinem Durchmesser, der dem eines Brennstabes 102 entspricht, sind versetzt gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung zu den beiden Seiten angeordnet, die an den engen Spalt (GN) angrenzen. Der Brennelementkasten 101 d′ nach Fig. 37 entspricht dem Brennelementkasten 101 d nach Fig. 36 mit der Ausnahme, daß ein Wasserstab (W) 105 von großem Druchmesser anstelle des Wasserstabes (W) 105 a von mitt lerem Durchmesser und der fünf Wasserstäbe (W) 105 b von kleinem Durchmesser verwendet ist.

Bei dem Brennelementkasten 101 e nach Fig. 38 ist ein Wasserstab (W) 105 von großem Durchmesser in der Nähe der Mitte des Kanals angeordnet und ein innerer Spalt 108 in Form von vier Seiten eines Quadrats, die sich jeweils von den Ecken aus nach außen erstrecken, ist gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung der an den engen Spalt (GN) angrenzenden beiden Seiten versetzt.

Bei dem Brennelementkasten 101 f nach Fig. 39 sind ein Wasserstab (W) 105 von großem Durchmesser und ein innerer Spalt 108 in Form der vier Seiten eines Rechteckes, die je weils von den Ecken aus nach außen verlängert sind, gegen über der Mitte des Kanals in Richtung der beiden Seiten, die an den engen Spalt (GN) angrenzen, versetzt.

Es werden nun Ausführungsformen von Brennelementkästen ge mäß dieser Erfindung mit acht Reihen und acht Spalten von Brennstäben beschrieben, die einen inneren Spalt in Form von vier Seiten eines Quadrats aufweisen, von denen sich jede von den Ecken aus nach außen erstreckt.

Bei dem Brennelementkasten 121 d nach Fig. 40 sind in einem Kanalkasten 124 neun kleine Einheiten 123 aus Brennstäben 122 derart angeordnet, daß ein innerer Spalt 128 in Form von vier Seiten eines Quadrats entsteht, die sich von den Ecken dieses Quadrats aus nach außen erstrecken. Bei diesem Brennelementkasten ist der innere Spalt 128 von der Mitte des Kanals in Richtung der beiden Seiten, die an den engen Spalt (GN) angrenzen und weg von den beiden Seiten, die an den weiten Spalt (GW) angrenzen, versetzt. In der mittleren kleinen Einheit 123 ist ein Wasserstab (W) 125 angeordnet, dessen Durchmesser einer Seite eines Rechtecks gleich ist, das zwei Reihen und zwei Spalten von Brennstäben 122 ent hält.

Bei dem Brennelementkasten 121 e nach Fig. 41 ist ein Wasserstab (W) 125 und der innere Spalt 128 in Form der vier Seiten eines Quadrats, die sich von den Ecken aus nach außen erstrecken, gegenüber der Mitte des Kanals in Rich tung zu den beiden Seiten, die an den engen Spalt (GN) an grenzen, versetzt angeordnet.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 42 und 43 sind weitere Modifikationen mit jeweils acht Reihen und acht Spalten von Brennstäben in einem Kanalkasten.

Die Brennelementkästen 101 g bis 101 k nach den Fig. 44 bis 48 veranschaulichen Ausführungsformen, bei denen der innere Spalt 108 jeweils in Form von vier Seiten eines Rechtecks, die sich von den Ecken aus jeweils nach außen erstrecken, ausgebildet ist, wobei die Brennelementkästen neun Reihen und neun Spalten von Brennstäben in unterschiedlicher An ordnung enthalten.

Der in Fig. 44 dargestellte Brennelementkasten 101 g und der in Fig. 45 dargestellte Brennelementkasten 101 h veranschaulichen Ausführungsformen, bei denen der innere Spalt 108 gebildet ist jeweils durch eine 4-2-3-Anordnung von Brennstäben 102 und dieser innere Spalt gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung zu den beiden Seiten, die an den engen Spalt (GN) angrenzen, versetzt ist. Bei dem Brennelementkasten 101 g ist ein Wasserstab (W) 105 von großem Durchmesser, der einer Seite eines Quadrats, das drei Reihen und drei Spalten von Brennstäben 102 enthält, in der Nähe der Mitte des Kanals angeordnet. Bei dem Brenn elementkasten 101 h ist ein Wasserstab (W) 105 a von mitt lerem Durchmesser, der einer Seite eines Quadrats aus zwei Reihen und zwei Spalten von Brennstäben 102 entspricht, ge genüber der Mitte des Kanals in Richtung zu den beiden Sei ten, die an den engen Spalt (GN) angrenzen, versetzt ange ordnet.

Der Brennelementkasten 101 i nach Fig. 46, der Brennelementkasten 101 j nach Fig. 47 und der Brennelement kasten 101 k nach Fig. 48 sind Ausführungsformen, bei denen der innere Spalt 108 jeweils in einer 4-3-2-Anordnung der Brennstäbe 102 ausgebildet ist und gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung zu den beiden, an den engen Spalt (GN) angrenzenden Seiten versetzt ist. Bei dem Brennelementka sten 101 i ist ein Wasserstab (W) 105 a von mittlerem Durch messer, der einer Seite eines Quadrats aus zwei Reihen und zwei Spalten von Brennstäben 102 entspricht, in der Nähe der Mitte des Kanals angeordnet. Bei dem Brennelementkasten 101 j ist ein Wasserstab (W) 105 a von mittlerem Durchmesser gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung der beiden an den engen Spalt (GN) angrenzenden Seiten versetzt angeord net. Bei dem Brennelementkasten 101 k ist ein Wasserstab (W) 105 von großem Durchmesser, der einer Seite eines Quadrats aus drei Reihen und drei Spalten von Brennstäben 102 ent spricht, in der Nähe der Mitte des Kanals angeordnet.

Der Brennelementkasten 101 l nach Fig. 49 ist aus neuen Rei hen und neun Spalten von Brennstäben aufgebaut. Bei diesem Brennelementkasten 101 l ist ein innerer Spalt 108 in Form der vier Seiten eines Quadrats, die sich jeweils von den Ecken aus nach außen erstrecken, so ausgebildet, daß die Bereiche des Spaltes, die dem engen Spalt (GN) am nächsten liegen, eine größere Spaltbreite aufweisen, als der weite Spalt (GW). Durch diese größere Spaltbreite der betreffen den Bereiche des inneren Spalts 108 wird der Nachteil des D-Gitter-Reaktors behoben, daß die Leistung mehr auf der Seite des weiten Spalts (GW) als auf der Seite des engen Spalts (GN) ausgegeben wird. Der Brennelementkasten gemäß dieser Ausführungsform erlaubt eine Herabsetzung des Unter schieds der Reaktivität während des Betriebszustands und während der Periode des kalten Zustandes und gewährt eine hohe Abschalttoleranz im Hinblick auf eine Reaktorstörung, verglichen zu einem Brennelementkasten, bei dem der innere Spalt überall eine konstante Spaltbreite aufweist.

Die in den Fig. 50 bis 54 dargestellten Brennelementkästen 121 h bis 121 k sind jeweils aus acht Reihen und acht Spalten von Brennstäben aufgebaut. Bei diesen Ausführungsformen ist der innere Spalt jeweils so ausgebildet, daß die den Seiten des engen Spaltes (GN) näher liegenden Seiten des inneren Spalts eine größere Spaltbreite aufweisen als die Seiten, die näher den Seiten des weiten Spaltes (GW) liegen.

Bei jedem der Brennelementkästen 121 h und 121 i ist ein Was serstab (W) 125, dessen Durchmesser gleich der Seite eines Quadrats aus zwei Reihen und zwei Spalten von Brennstäben 122 ist, geringfügig gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung der Seite des weiten Spalts (GW) versetzt. Bei je dem der Brennelementkästen 121 j und 121 k ist ein Wasserstab (W) 125 a eines großen Durchmessers, der einer Seite eines Quadrats aus drei Reihen und drei Spalten von Brennstäben 122 entspricht, gegenüber der Mitte des Kanals in Richtung der Seite des engen Spaltes (GN) versetzt.

Der Brennelementkasten 101 m nach Fig. 54, der Brennelementkasten 101 n nach Fig. 55 und der Brennelement kasten 101 p nach Fig. 56 sind jeweils aus neun Reihen und neun Spalten von Brennstäben aufgebaut. Diese Brennelement kästen veranschaulichen jeweils eine Ausführungsform, bei der kurze Brennstäbe (P), deren oberer Bereich verkürzt ist, benachbart zu dem inneren Spalt 108 angeordnet sind. Der Brennelementkasten 121 l nach Fig. 57 ist aus acht Rei hen und acht Spalten von Brennstäben aufgebaut. Er veran schaulicht eine Ausführungsform, bei der kurze Brennstäbe (P) mit einem verkürzten oberen Bereich benachbart zum inneren Spalt 128 angeordnet sind.

Die Brennelementkästen 101 m, 101 n, 101 p und 121 l erlauben eine Verringerung im Unterschied der Reaktivität während des Betriebszustands, da die die inneren Spalte 108 und 128 umgebende Wassermenge im Bereich oberhalb der oberen Enden der kurzen Brennstäbe (P) während der Periode des kalten Zustands erhöht ist. Im Hinblick auf die Abschalttoleranz (Sicherheitstoleranz bei einer Reaktorstörung) ist es wesentlich, daß der obere Bereich des Brennelementkastens, in dem ein hoher thermischer Neutronenfluß während der Periode des kalten Zustandes vorhanden ist, einen kleinen Unterschied in der Reaktivität während des Betriebszustands und während der Periode des kalten Zustandes aufweist.

Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffes ist es erwünscht, daß der Uranbestand groß ist. Somit sollte der Bereich unterhalb der Brennstäbe mit Uran gefüllt wer den. Im Hinblick auf eine Gewährleistung der Stabilität des Kerns ist es wichtig, daß die kurzen Brennstäbe (P), die um die inneren Spalte 108, 128 angeordnet sind, den Druckver lust im oberen Bereich des Brennelementkastens herabsetzen, da der Druckverlust in diesem Bereich, der dazu bestimmt ist, einen großen Blasenbereich zu bilden, so klein wie möglich sein sollte.

Claims

1. Brennelementkasten (11) mit zylindrischen Brenn stäben (12), in denen Kernbrennstoffpellets dicht einge schlossen sind und einem Kanalkasten (14), der die zylin drischen Brennstäbe in einem regelmäßig gebündelten Muster hält, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl kleiner Einheiten (13) vorgesehen ist, von denen jede eine vorgegebene Anzahl von Brennstäben (12) enthält, die gebündelt und jeweils mit einem festen Mitten abstand (P ₁) im Abstand voneinander angeordnet sind, und daß die kleinen Einheiten (13) derart angeordnet sind, daß der Mittenabstand (P ₂) zwischen Brennstäben (12), die an zueinander benachbarten Seiten von benachbarten kleinen Einheiten (13) liegen, größer als der Mittenabstand (P ₁) zwischen benachbarten Brennstäben (12) derselben Einheit (13) ist, und
daß in der Nähe der Mitte einer Gruppe dieser Vielzahl von kleinen Einheiten (13) wenigstens ein Wasserstab (15) ange ordnet ist.

2. Brennelementkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Brennstäbe, die jeweils in der Nähe der periphe ren Ecken angeordnet sind, ein in der Länge verkürzter Kurzbrennstab (20) ist.

3. Brennelementkasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenab stand (P ₂) zwischen den Brennstäben, die jeweils zwei benachbarten kleinen Einheiten angehören, durch die Kombi nation der kleinen Einheiten verändert ist.

4. Brennelementkasten (101) zum Einsetzen in einen D- Gitter-Kern mit zylindrischen Brennstäben (102), in denen Kernbrennstoffpellets dicht eingeschlossen sind und einem Kanalkasten (104), der diese zylindrischen Brennstäbe (102) in einem regelmäßig gebündelten Muster enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl kleiner Einheiten (103) vorgesehen ist, von denen jede eine vorgegebene Anzahl an Brennstäben (102) enthält, die gebündelt und jeweils mit einem vorgegebenen Mittenabstand im Abstand voneinander angeordnet sind, und
daß die kleinen Einheiten (103) derart angeordnet sind, daß der Mittenabstand zwischen Brennstäben (102), die an zuein ander benachbarten Seiten von benachbarten kleinen Einhei ten (103) liegen, größer als der Mittenabstand zwischen be nachbarten Brennstäben (102) derselben Einheit (103) ist,
daß zwischn der Vielzahl von kleinen Einheiten (103) we nigstens ein Wasserstab (W) angeordnet ist, und wenigstens einer der fortlaufend zwischen den kleinen Ein heiten (103) und dem Wasserstab (W) gebildeten inneren Spalte (108) so angeordnet ist, daß er von der Mitte des Kanalkastens (104) in Richtung zu einer Seite, an der außen ein enger Spalt (GN) vorgesehen ist, versetzt ist.

5. Brennelementkasten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Spalt (108) in Form von vier Seiten eines Quadrats ausge bildet ist, die sich von den Ecken des Quadrats nach außen erstrecken und der Spaltbereich, der näher den Seiten des äußeren engen Spalts (GN) des Kanalkastens (104) liegt, breiter ausgebildet ist als der, der näher den Seiten des äußeren weiten Spalts (GW) des Kanalkastens (104) liegt.