DE69616599T2 - Kernbrennstabbündel mit einem übergangsstück,das einen niedrigen strämungswiderstand aufweisst - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Kernbrennelement für einen Siedewasserreaktor und insbesondere ein Brennelement für diesen Reaktor mit einem Übergangsstück, das einen verminderten Strömungswiderstand aufweist.
• Der Kern eines Siedewasserreaktors weist normalerweise eine Kernstützplatte oder eine äquivalente Kernkonstruktion, an der die Kernbrennelemente anliegen, auf. Zylindrische Durchgänge erstrecken sich praktisch senkrecht durch die Stützplatte und führen einen Moderator- Kühlmittelstrom durch die Stützplatte und in die Brennelemente.
• Fig. 1 zeigt ein typisches Brennelement 2 gemäß einem Stand der Technik (deutsche Offenlegungsschrift 4327001), das auf einer Stützplatte 1 eines Siedewasserreaktors aufliegt, wobei der Moderator-Kühlmittelstrom (Pfeil 3) durch einen der Durchgänge 4 strömt und in das Brennelement eintritt. Das Brennelement enthält einen Brennstoffkanal 5, der ein offenes unteres Ende 6, ein offenes oberes Ende 7 und einen praktisch rechteckigen Kanalquerschnitt aufweist. Weiterhin enthält das Brennelement ein Brennstabbündel 8 und ein Übergangsstück 9. Die Brennstäbe kreuzen den Kanalquerschnitt in einer praktisch vertikalen Richtung und sind seitlich von dem Brennstoffkanal. umgeben. Das Übergangsstück ist in dem offenen unteren Ende des Brennstoffkanals angeordnet und enthält einen ringförmigen Rand 10 an seinem unteren Ende, eine trichterförmige Aufweitung 14 neben dem ringförmigen Rand und ein Zentrier- und Positioniermittel, das von dem ringförmigen Rand nach unten in den zylindrischen Durchgang 4 ragt.
• Der ringförmige Rand 10 umgibt eine Einlaßöffnung 11 am unteren Ende des Übergangsstücks 9 und bildet eine Dichtungsfläche 12, die sich konisch verjüngt und in eine entsprechende konische Gegenfläche am oberen Rand 13 des Durchgangs 4 paßt. Aus diesem Grunde ist der Kühlmittelstrom beim Verlassen des Durchgangs 4 gegenüber der Außenseite des Brennstoffkanals abgedichtet.
• Die trichterförmige Aufweitung 14 wirkt als Anpaßstück zwischen der kleineren Einlaßöffnung 11, die mit dem Durchgang 4 in einer Linie verläuft, und dem größeren Querschnitt am offenen unteren Ende 6 des Brennstoffkanals 5. Neben der sich konisch verjüngenden Dichtungsfläche 12 erreicht die Aufweitung 14 einen oberen Teil, der auf den ringförmigen Querschnitt des Brennstoffkanals abgestimmt ist und eine untere Stabhalteplatte 15 trägt, die das offene untere Ende des Kanals bedeckt.
• Das Zentrier- und Positioniermittel 16 positioniert die sich verjüngende Dichtungsfläche 12 in eine bezüglich der konischen Gegenfläche am oberen Rand 13 des Durchgangs 4 koaxiale Position.
• Weiterhin wird erwähnt, daß sich in diesem Fall ein Teil der Brennstäbe nicht bis zu einer oberen Stabhalteplatte 17 erstreckt, wie dies die meisten Brennstäbe tun, deren obere Enden 18 in Öffnungen der oberen Stabhalteplatte geführt sind. Diese kürzeren Brennstäbe 18'("teillange Brennstäbe") sind mit der unteren Stabhalteplatte 15 verschraubt (siehe Schraubverbindung 18"), während die anderen Brennstäbe untere Endkappen aufweisen, die nicht an der unteren Stabhalteplatte 15 befestigt sind, sondern bei ode r über dieser Stabhalteplatte enden. Diese unteren Endkappen 19 nach dem Stand der Technik weisen eine zylindrische untere Spitze auf, die eine Kerbe enthält, an der sie mit einem Handhabungswerkzeug ergriffen werden können, um sie beim Zusammenbau des Brennelements durch die Maschen von Abstandsgittern 20 zu ziehen. Diese Abstandsgitter halten die Brennstäbe in Position und werden durch einen Wasserstab 21 gestützt, der als "Rückgrat" des Brennelementskeletts dient und die oberen und die untere Stabhalteplatte trägt.
• Besondere Aufmerksamkeit gilt dem Zentrier- und Positioniermittel 16 dieses Stands der Technik, da dieses Element gemäß der vorliegenden Erfindung geändert wird. Dieses Mittel wird durch ein zylindrisches Element gebildet, das in den zylindrischen Teil des Durchgangs 4 paßt. Demgemäß wird der dem Kühlmittelstrom 3 zur Verfügung stehende effektive Querschnitt im Durchgang 4 auf den kleineren Innenquerschnitt des zylindrischen Rohrstücks reduziert.
• Zur Positionierung des Brennelements 2 auf der Stützplatte 1 wird das Brennelement abgesenkt, und vier Finger 26, die eine sternförmige Krone am untersten Ende des Brennelements bilden, leiten das Übergangsstück in den Durchgang 4.
• In Fig. 2 wird eine ähnliche Konstruktion gemäß dem Stand der Technik (europäische Patentschrift 0 027 984) gezeigt, die im wesentlichen die gleichen Konstruktionselemente aufweist: einen Brennstoffkanal 30, ein Bündel von Brennstäben 31 und ein Übergangsstück 32 mit einem ringförmigen Rand 33, einer trichterförmigen Aufweitung 34 (einschließlich eines oberen Teils 35 mit einer unteren Stabhalteplatte 36) und Zentrier- und Positioniermitteln 37. Der ringförmige Rand 33 weist eine sich konisch verjüngende Dichtungsfläche 38 auf, die zusammen mit einer entsprechenden Gegenfläche am oberen Rand 39 des sich durch die Kernstützplatte 41 erstreckenden Durchgangs 40 eine abdichtende Verbindung herstellt. Das Zentrier- und Positioniermittel ist wiederum ein zylindrisches Element, das sich nach unten in den zylindrischen Durchgang 40 erstreckt.
• In diesem Fall sind das zylindrische Element 37 und die Aufweitung 34 wie ein Venturi ausgebildet, um den Druckverlust des Kühlmittelstroms bei Durchströmen des Durchgangs 40 und der Einlaßöffnung 42 zu vermindern. Es sind keine die Einlaßöffnung durchquerenden sternförmigen Finger vorgesehen, aber das zylindrische Element 37 wird durch seitliche Rippen 43 versteift, um den Venturi beim Einführen des Brennelements in den Durchgang zu schützen.
• Die nukleare Wärmeerzeugung in jedem speziellen Brennelement erfordert einen ausreichenden Kühlmittelstrom in diesem Brennelement, das heißt der Kühlmittelstrom durch die Stützplatte muß so über die Querschnittsfläche des Kerns verteilt werden, daß jedes Brennelement seinen bestimmten Teil des Kühlmittelgesamtstroms erhält. Diese Verteilung wird in Fig. 2 durch eine in der Durchgangsöffnung eingesetzte Drosselplatte 44 erreicht, die jeweils auf die Erfordernisse des entsprechenden Brennelements abgestimmt ist. Am Ende jedes Betriebszyklus des Kernreaktors sind einige der Brennelemente ausgebrannt und müssen durch frische Brennelemente mit frischem Kernmaterial ersetzt werden. Gemäß fortschrittlichen Entwicklungen können frische Brennelemente eine fortschrittliche Konstruktion mit einem geänderten Strömungswiderstand aufweisen. Dies führt zu einem "Mischkern", bei dem frische Brennelemente neben alten Brennelementen stehen, wobei die frischen und die alten Brennelemente einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen. Geringfügige Unterschiede beim Strömungswiderstand sind aber tolerierbar, um einen effizienten Kühlmittelstrom innerhalb jedes Brennelements zu gewährleisten. Andererseits können fortschrittliche Brennelemente eine höhere Reaktivität aufweisen und einen größeren Kühlmittelstrom erfordern, was bedeutet, daß der Strömungswiderstand der frischen Brennelemente etwas geringer sein sollte als der Widerstand alter Brennelemente, um die Strömung zugunsten der neuen Brennelemente neu zu verteilen.
• Darüber hinaus kann der Kühlmittelstrom in einem Siedewasserreaktorbrennelement instabil werden, wenn der Strömungswiderstand im unteren Teil des Brennelements bezüglich des Kühlmittelstroms im oberen Teil des Brennelements nicht groß genug ist. Das in den unteren Teil des Brennelements eintretende Kühlmittel ist flüssiges Wasser, aber es verläßt das obere Ende des Brennelements als Gemisch aus Wasser und Dampf.
• Aufgrund dieser Vergrößerung des spezifischen Volumens ist die Strömungsgeschwindigkeit in den oberen Teilen des Brennelements merklich erhöht. Stabile Strömungsbedingungen erfordern, daß der Widerstand des Brennelements in den verschiedenen Teilen des Brennelements sorgfältig eingestellt wird.
• In Fig. 2 gestattet die Auswahl einer geeigneten Drosselplatte die Anpassung des Strömungswiderstands am Eingang des Brennelements an die spezifischen Erfordernisse, solange der Mindestströmungswiderstand (Drosselplatte 44 weggelassen) kleiner ist als der erforderliche Wert. Ansonsten muß die Durchgangsöffnung in der Kernplatte selbst vergrößert werden. Das Auswechseln der Kernstützplatte, bei der es sich um einen wesentlichen Teil des Reaktors selbst handelt, ist jedoch kaum akzeptabel. Deshalb sind die Umfangsabmessungen der Brennelemente (einschließlich des unteren Rands des Übergangsstücks und seiner Dichtungsfläche, die in das Profil der Durchgänge der Kernplatte passen muß) festgelegt.
• Das Innere des Brennelements kann jedoch modifiziert werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Brennstäbe von 6 · 6 bis 10 · 10 schwanken, wobei höhere Anzahlen bevorzugt werden. Bei Verteilung auf eine größere Anzahl von Brennstäben führt das gleiche Kernmaterial zu einer geringeren spezifischen Wärmeerzeugung des einzelnen Brennstabs, wodurch die thermische Belastung jedes Brennstabs und die in hohem Maße von der Temperatur abhängige Korrosion des Hüllenmaterials vermindert werden. Andererseits sind die Brennstäbe gleichmäßig über den Querschnitt des Brennstoffkanals verteilt, und höhere Anzahlen von Brennstäben führen zu einer Vergrößerung des Strömungswiderstands.
• Zur Sicherstellung des erforderlichen Brennstoff/Moderator-Verhältnisses selbst im Dampfbereich des Brennelements wird oftmals ein Wasserstab oder eine ähnliche Wasserkanalkonstruktion (zum Beispiel ein kreuzförmiger Kanal, der den rechteckigen Brennstoffkanal in vier Abschnitte unterteilt) verwendet, der bzw. die nichtsiedendes Wasser in den oberen Bereich des Brennelements führt. Des weiteren hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einiger teillanger Brennstäbe den Vorteil bietet, daß der Strömungswiderstand im Dampfbereich durch Vergrößern des Strömungsquerschnitts verkleinert wird, während im oberen Teil des Brennelements das korrekte Brennstoff/Moderator-Verhältnis aufrechterhalten wird. Folglich sollte auch der Strömungswiderstand im unteren Teil verringert werden.
• Weiterhin hat sich herausgestellt, daß der Kühlmittelstrom innerhalb des Brennstoffkanals von der Dichtungsqualität zwischen dem unteren Rand des Übergangsstücks und der Seitenwand oder dem oberen Rand des Durchgangs in der Stützplatte abhängig ist. Manchmal werden die Dichtungsflächen des Rands und/oder des Durchgangs durch Aufschlagen des Übergangsstücks auf die Stützplatte bei der Installation beschädigt. Jegliche Deformation dieser Dichtungsflächen beeinträchtigt nicht nur die Dichtungsqualität der Passung, sondern auch die genaue Position des Brennelements im Reaktorkern, wo Brennelemente sehr nahe beieinander bleiben und so genau wie möglich und in ihrer ordnungsgemäßen, aufrechten Position gehalten werden müssen.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Brennelements für einen Siedewasserreaktor der obengenannten Art, das im Bereich des Übergangsstücks einen äußerst geringen Strömungswiderstand aufweist.
• Gemäß einer Aufgabe der Erfindung wird ein Brennelement der obengenannten Art bereitgestellt, das in einen Durchgang der Stützplatte paßt und am unteren Ende des Übergangsstücks eine vergrößerte Einlaßöffnung aufweist.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Brennelements der obengenannten Art, das sich leicht in eine Durchgangsöffnung einer Stützplatte einsetzen läßt und dort genau positioniert werden kann.
• Weitere Aufgaben betreffen einen kleinen Strömungswiderstand eines Brennelements der obengenannten Art in dem Bereich des Brennelements, in dem die untere Stabhalteplatte und die unteren Enden der Brennstäbe -positioniert sind.
• Weiterhin besteht eine Aufgabe in der Verbesserung der Ausführung des unteren Teils eines Brennelements der obengenannten Art bezüglich des Kühlmitteldurchsatzes im Brennelement, insbesondere für einen Mischkern, bei dem Brennelemente verschiedener Ausführungen vorhanden sind.
• Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform besser verständlich.
• Diese Aufgaben werden durch ein verbessertes Übergangsstück gelöst, bei dem das Zentrier- und Positioniermittel am unteren Rand des Übergangsstücks aus mindestens drei Fingern besteht, die abstandsgleich entlang dem Umfang des ringförmigen Rands verteilt sind, und die Einlaßöffnung des Übergangsstücks (das heißt der Innenquerschnitt des ringförmigen Rands) weist im wesentlichen den gleichen Durchmesser auf wie die zylindrische Durchgangsöffnung, wobei sich die Finger radial in die kreisförmige Einlaßöffnung und axial nach unten in den zylindrischen Teil des Durchgangs erstrecken, der durch die Kernstützplatte gebildet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Fig. 1 und 2 zeigen die schon erläuterte Konstruktion von Brennelementen und ihre Übergangsstücke gemäß dem Stand der Technik;
• Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Übergangsstücks gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 4 ist eine Draufsicht;
• Fig. 5 ist ein Längsschnitt entlang der Ebene V-V von Fig. 4, wobei sich nur ein Teil der unteren Stabhalteplatte in ihrer Endposition befindet;
• Fig. 6 zeigt eine Einzelheit von Fig. 5, wenn das Brennelement auf einer Kernstützkonstruktion auf liegt;
• Fig. 7 zeigt einen Abschnitt der unteren Stabhalteplatte gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
• Fig. 8 zeigt eine stromlinienförmige Endkappe eines Brennstabs.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Das Übergangsstück (einschließlich der unteren Stabhalteplatte) ist oftmals aus einem Stück gegossen und weist eine eher komplexe geometrische Konstruktion auf. Bei der in den Fig. 3 bis 8 beschriebenen, als Beispiel für die Erfindung dienenden Ausführungsform ist die untere Stabhalteplatte ein getrenntes Teil, das durch ein Stützskelett (zum Beispiel den obengenannten zentralen Wasserstab) für das Brennstabbündel festgehalten wird. Bei anderen Ausführungsformen bilden speziell ausgeführte Stützstäbe das Skelett. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, das Übergangsstück und die untere Stabhalteplatte getrennt zu gießen und sie danach dann miteinander zu verschweißen. In jedem Fall sind einige Flächenabmessungen und Außenflächen des Übergangsstücks (in erster Linie der obengenannten Dichtungsfläche und des Führungsmittels) von wesentlicher Bedeutung und können durch Fräsen, Glätten oder Polieren am Ende des Herstellungsprozesses eingearbeitet werden.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 weist das Übergangsstück 50 einen oberen Teil 51 auf, der in das offene untere Ende des Brennstoffkanals 52 paßt. Dieser Brennstoffkanal 52 wird in Fig. 3 nur gestrichelt gezeigt, während die untere Stabhalteplatte 53, die innere Durchgangslöcher 53' und Umfangsdurchgangslöcher 53" aufweist und auf einem oberen Teil des Übergangsstücks aufliegt, nur in Fig. 5 gezeigt wird.
• Das Innere des oberen Teils 51 ist mit Versteifungsrippen 55 versehen, in denen Öffnungen 55' ausgebildet sind, in welchen zur Befestigung des Brennstoffkanals an dem Übergangsstück eine Schraube eingeschraubt werden kann. Diese Schraube wird dazu verwendet, eine abdichtende Passung oder zumindest einen sehr wohldefinierten Spalt zwischen den Wänden des Brennstoffkanals und dem Übergangsstück zu schaffen, um die Kühlmittelmenge, die aus dem Inneren des Brennelements entweichen kann, zu begrenzen. Da aber eine wohldefinierte Menge des Kühlmittelstroms selbst außerhalb des Brennstoffkanals benötigt wird, weist das Übergangsstück 50 einige seitliche Ableitungsöffnungen 56 auf.
• Der untere Rand 60 ist an seiner Außenfläche 61 konisch ausgebildet und liegt auf einem entsprechenden konischen Rand 62 (Fig. 3) auf, der den Auslaß eines zylindrischen Durchgangs 63 in der Stützplatte 64 bildet.
• Gemäß dieser Ausführung wird das untere Ende des Brennelements in den Durchgang 63 eingeführt, wobei der konische Rand 62 des Durchgangs die der konischen Fläche 61 des unteren Rands 60 entsprechende Gegenfläche ist. Diese beiden Flächen passen zusammen und bilden eine Dichtung, durch die vermieden wird, daß durch den Durchgang 63 strömendes Kühlmittel auf unkontrollierte Weise entweicht. Zwischen der Dichtungsfläche 61 und dem unteren Ende des Brennstoffkanals 52 vergrößert sich das Übergangsstück trichterförmig, wobei diese Vergrößerung 65 den für den Kühlmittelstrom zur Verfügung stehenden Querschnitt von der kleineren kreisförmigen Einlaßöffnung 66 am unteren Rand 60 zum größeren quadratischen (oder zumindest polygonalen) offenen Ende des Brennstoffkanals 52 verändert.
• Diese Einlaßöffnung ist von dem ringförmigen unteren Rand 60 umgeben, das heißt der Durchmesser d der Einlaßöffnung 66 ist durch den Durchmesser in einer Ebene gegeben, in der die konische Dichtungsfläche 61 ihren schmalsten Teil aufweist, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Wenn dieser Durchmesser d kleiner ist als der Durchmesser D1, der den Querschnitt des zylindrischen Teils des Durchgangs 63 definiert, erstreckt sich deshalb der Rand 62 des Übergangsstücks durch eine Ebene B-B, in der sich der zylindrische Teil des Durchgangs 63 zur konischen Gegenfläche 62 verändert und eine Kante bildet. Wenn der Durchmesser d größer ist als der Durchmesser D2 der konischen Gegenfläche 62 an der Ebene ihres größten Querschnitts, würde der ringförmige Rand 60 nur auf der oberen ebenen Fläche der Stützplatte 64 aufliegen und zwischen der Fläche 61 und der Gegenfläche 62 bestünde keine Dichtung.
• Zur Bereitstellung einer großen Einlaßöffnung für den Kühlmittelstrom ist der Durchmesser d ungefähr gleich D1 und vorzugsweise etwas größer (das heißt d liegt zwischen D1 und D2, vorteilhafterweise näher an D1 als an D2), so daß der ringförmige Rand 61 vollständig über dem Rand 67, aber nicht auf der oberen Ebene der Stützplatte liegt.
• Zur leichteren Einführung des ringförmigen Rands 60 in den Durchgang 63 sowie zur Zentrierung des Übergangsstücks des Brennelements in seine ordnungsgemäße Position ragt ein entsprechendes Mittel vom Rand 60 nach unten in die Durchgangsöffnung 63. Im Stand der Technik (Fig. 1 und 2) handelt es sich bei diesem Zentrier- und Positioniermittel um ein kleines zylindrisches Element, dessen Umfang so genau wie möglich in den zylindrischen Teil des Durchgangs 63 paßt. Diese bekannte Ausführung ist mit einem ungünstigen kleinen Querschnitt der Einlaßöffnung verbunden. Deshalb wirken gemäß der Erfindung nur mehrere Finger 70 (mindestens drei, vorzugsweise vier) als ein solches Zentrier- und Positioniermittel.
• Diese Finger sind abstandsgleich entlang dem Umfang des ringförmigen Rands 60 verbunden. Sie sind an der Innenfläche des Rands befestigt, weisen zur Achse des Brennelements und bilden gerade Teile 71 neben dem ringförmigen Rand 60 und praktisch parallel zu den zylindrischen Seitenwänden des Durchgangs 63. Aus diesem Grunde positionieren diese geraden Fingerteile das Übergangsstück in eine Position, in der die Einlaßöffnung 66 und der Durchgang 63 praktisch konzentrisch sind. Die Umfangsfläche dieser Fingerteile (das heißt die zu den Seitenwänden des Durchgangs 63 weisende Fläche) bildet Segmente der Fläche eines Zylinders, wobei der Radius dieses Zylinders fast der gleiche ist wie der Radius des Kreises D1 der Durchgangsöffnung (zum Beispiel höchstens 1 mm kleiner, wenn dies gemäß den Toleranzgrenzen von D1 möglich ist).
• Fig. 3 zeigt weiterhin, daß die Finger 70 Fingerenden 72 aufweisen, die sternförmig zueinander weisen. Sie können an einem Knotenpunkt 73, der den untersten Spitzenteil des Übergangsstücks bildet, aneinander befestigt sein. Bei anderen Ausführungsformen könnte dieser Knotenpunkt durch einen Ring ersetzt werden, der die Fingerenden 72 miteinander verbindet.
• Einzelheit A der Fig. 3, das heißt eine bevorzugte Form des Materials, das die geraden Fingerteile 71 mit dem ringförmigen Rand 60 verbindet, wird in Fig. 6 näher gezeigt. Wie zu sehen, sind die konische Fläche 61 und die Gegenfläche 62 in engem Kontakt miteinander und bilden die obengenannte Dichtung, und die geraden Fingerteile 71 berühren praktisch die Seitenwände des zylindrischen Teils der Durchgangsöffnung 63. Aber das die geraden Fingerteile 71 mit dem ringförmigen Rand verbindende Material 74 läßt einen Spalt 76 zwischen dem Rand 67 und dem Ende des Übergangsstücks. Deshalb kann der Rand 67 weder die Dichtungsfläche 61 noch die geraden Fingerteile 71 beschädigen.
• Der Spalt 76 wird durch eine konkave Krümmung 75 des Verbindungsmaterials 76 oder zumindest durch eine ausgesparte Kante (gestrichelt in Fig. 6) bezüglich der Neigung der Fläche 61 erzeugt.
• Dank dieser Ausführung wird die Gefahr einer Beschädigung (Verkratzen oder Verformen) der Dichtungsfläche 61 und ihrer Gegenfläche 62 verringert.
• Der Druckverlust am Übergangsstück 50 ist wesentlich geringer als im Fall von Fig. 1, obgleich die Änderungen nur sehr gering zu sein scheinen. Bezüglich der geraden Fingerteile 71 von Fig. 3 und im Vergleich zu dem Element, das sich in der Darstellung von Fig. 1 nach unten in den Durchgang 4 erstreckt, sei darauf hingewiesen, daß fast sämtliches Material des Elements entfernt wird, bis nur noch der gerade Finger übrig bleibt, das heißt ca. 90% der Querschnittsfläche des zylindrischen Elements wird gewonnen, um die Einlaßöffnung des Übergangsstücks zu vergrößern. Dies führt zu einem verminderten Druckverlust, der durch eine bessere hydrodynamische Strömungsform, die im wesentlichen die Form einer Venturi-Düse ist, sogar noch weiter vermindert wird.
• Die entsprechende Verminderung des Druckverlusts kann zum Ausgleich eines zusätzlichen Druckverlusts verwendet werden, der erzeugt wird, wenn zusätzliche Konstruktionselemente im Brennelement erwünscht sind. Da abgebrochene Teile und andere Trümmerteilchen, die vom Kühlmittelstrom mitgeführt werden, die Brennstäbe beschädigen können, sollte im Kühlmittelstromweg ein Trümmerteilchenfilter angeordnet werden, bevor das Kühlmittel die Brennstäbe erreicht. Wenn kältere und wärmere Teile des Kühlmittelstroms vermischt werden, erfolgt eine effizientere Kühlung, und es ist somit von Vorteil, an den Abstandsgittern Mischflügel zu befestigen oder zusätzliche Mischgitter zu verwenden. Diese und andere Verbesserungen führen zu dem Erfordernis eines zusätzlichen Ausgleichs durch Modifikationen, die den Druckverlust in anderen Teilen des Brennelements verringern.
• Wenn in einem Kernreaktor mit seinem spezifischen Durchsatz und seiner spezifischen Geschwindigkeit des Kühlmittels die Drosselplatte 44 in der Kernstützplatte 41 von Fig. 2 entfernt wird, um den Druckverlust zu verringern, erzeugt die Ausführung des Übergangsstücks 32 (Fig. 2) - aufgrund seiner Venturi-Form - einen relativ geringen Druckverlust, der durch Verwendung der Übergangsstückausführung von Fig. 1 kaum verbessert werden kann. Gemäß dem Grundgedanken dieser Erfindung wirkt die Durchgangsöffnung 63 (Fig. 3) der Kernstützplatte selbst als Einlaßöffnung der Venturi-Düse, und der Druckverlust ist nicht nur wesentlich geringer als im Fall von Fig. 1, sondern auch von Fig. 2.
• Das nächste wichtige Hindernis für den Kühlmittelstrom, der die Kernstützplatte passiert und den Durchgang 63 erreicht hat, ist die untere Stabhalteplatte 53, in der Strömungsdurchgangslöcher zur Führung des Kühlmittels in die Räume zwischen benachbarten Brennstäben ausgebildet sind. Als erster Schritt zur Verringerung des Strömungswiderstands könnten die Durchgangslöcher vergrößert werden. Im Stand der Technik gibt es oftmals Brennstäbe, die mit der unteren Stabhalteplatte auf die gleiche Weise, wie anhand der teillangen Brennstäbe von Fig. 1 gezeigt wird, verschraubt sind. Selbst nicht mit der Stabhalteplatte verschraubte Brennstäbe weisen Endkappen mit Führungsspitzen auf, die sich in Öffnungen der unteren Stabhalteplatte erstrecken, um die unteren Enden der Brennstäbe horizontal festzulegen. Bei diesem Stand der Technik kann die Strömung durch Löcher in der unteren Stabhalteplatte nicht wesentlich vergrößert werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist jedoch die Endkappe der Brennstäbe (mit Ausnahme der teillangen Brennstäbe) nicht mit der unteren Stabhalteplatte verschraubt.
• Fig. 7 zeigt einen Abschnitt der unteren Stabhalteplatte für ein Brennelement mit in 11 Reihen und 11 Spalten angeordneten Brennstäben (es werden nur fünf Reihen und sechs Spalten von Stabpositionen gezeigt). In der Mitte der Stabhalteplatte ersetzt ein großes Strömungsloch 80 3 · 3 Brennstäbe und wirkt als Mittel zur Verschraubung des obengenannten zentralen Wasserkanals (Position 21 in Fig. 1) mit der unteren Stabhalteplatte. Die Positionen, in denen Brennstäbe voller Länge auf der unteren Stabhalteplatte stehen, sind durch Kreuze 81 markiert, und Aussparungen, wo teillange Brennstäbe mit der Stabhalteplatte verschraubt sind, werden bei 82 gezeigt. Die Brennstabpositionen sind von mindestens acht Durchgangslöchern 83 umgeben.
• Die gestrichelte Linie 84 in Fig. 7 zeigt die Innenfläche des Wasserkanals oder den oberen Rand des Übergangsstücks, ganz gleich, was die maximale Breite der Stabhalteplatte bestimmt.
• Die Stabhalteplatte 54 weist einen kleineren Querschnitt als der Brennstoffkanal selbst auf und ist von den Wänden des Brennstoffkanals und dem Umfang des Übergangsstücks (Linie 84) beabstandet. Deshalb ist ein Spalt vorhanden. Dieser Spalt wird durch Rippen 86 aufrechterhalten, die seitlich von der Stabhalteplatte zu den Kanalwänden ragen und Umfangsdurchgangslöcher 86' bilden. Die Rippen sind relativ klein: Ihre Basislinie an der unteren Stabhalteplatte kann kleiner (z. B. ungefähr die Hälfte) sein als der Abstand zwischen benachbarten Rippen. Deshalb ist die Querschnittsfläche der Rippen viel kleiner als der Querschnitt der Durchgangslöcher 86'. Aus diesem Grunde wird ein wesentlicher Teil des Kühlmittels zu dem Bereich neben den Kanalwänden geleitet. Dies ist vorteilhaft, da ein ausreichender Kühlmittelstrom zwischen den Umfangsbrennstäben und der Kanalwand eines Brennelements oftmals schwer aufrechtzuerhalten ist.
• Besondere Aufmerksamkeit gilt den Brennstabpositionen 8T, 88, 89. Es ist offensichtlich, daß die diese Positionen umgebenden Durchgangslöcher viel kleiner und/oder anzahlmäßig verringert sein müssen, wenn die die volle Länge aufweisenden Brennstäbe an den Positionen 87 und 88 auf die gleiche Weise in entsprechende Aussparungen geschraubt würden wie der teillange Brennstab bei Position 89. Darüber hinaus gäbe es keinen Platz für ein Umfangsloch. Deshalb sind die Durchgangslöcher in Fig. 7 relativ groß.
• Andererseits ist durch Verwendung von acht Durchgangslöchern neben den inneren Brennstäben ihr individueller Querschnitt noch relativ klein und hält den Großteil der obenerwähnten Trümmerteilchen, die die Brennstäbe beschädigen könnten, zurück.
• Die Endkappen 90 (Fig. 8) der Brennstäbe selbst bilden eine Umfangskerbe 91 oder ein ähnliches Profil, die bzw. das dazu verwendet wird, die Brennstäbe mit einem Handhabungswerkzeug zu ergreifen und sie bei der Herstellung der Brennelemente durch die Maschen der Abstandsgitter zu ziehen. Im Stand der Technik verringert sich der Querschnitt der Endkappen schrittweise und bildet einen Kegelstumpf mit einem nackten Vorderteil 93, wie in Fig. 8 gestrichelt gezeigt. Deshalb bilden wohlbekannte Endkappen mehrere Kanten. Erfindungsgemäß wird durch eine stromlinienförmige oder zumindest halbkugelförmige Spitze unter diesem Profil ein bemerkenswerter Vorteil erzielt. Des weiteren sind alle Kanten über diesem Profil abgerundet. Deshalb erzeugen die Endkappen der Brennstäbe einen weniger turbulenten Kühlmittelstrom, wodurch sich ein verminderter Strömungswiderstand und Druckverlust für das Kühlmittel ergibt, wenn es die untere Stabhalteplatte passiert hat.
• Somit enthält die bevorzugte Ausführungsform mehrere Verbesserungen (Zentrierfinger anstelle eines ringförmigen Zentriermittels, vergrößerte Durchgangslöcher in der unteren Stabhalteplatte, Umfangsdurchgangslöcher zwischen, der Stabhalteplatte und der Kanalwand, stromlinienförmige Brennstabendkappen).

Claims (11)

1. Kernbrennelement für den Kern eines Siedewasserreaktors, wobei der Kern eine Stützplatte (1), auf der Stützplatte (1) aufliegende Kernbrennelemente (2) und Kühlmittelstrom in die Brennelemente leitende zylindrische Durchgänge (4, 63) aufweist, wobei jeder Durchgang (4, 63) einen zylindrischen Teil und einen konisch vergrößerten oberen Rand (13) aufweist und sich praktisch senkrecht durch die Stützplatte erstreckt,

wobei das Kernbrennelement folgendes enthält:

a) einen Brennstoffkanal (52) mit einem offenen oberen und unteren Ende und einem praktisch rechteckigen Kanalquerschnitt,

b) ein Bündel praktisch vertikaler Brennstäbe (87, 88, 89), die den Kanalquerschnitt schneiden und seitlich von dem Brennstoffkanal (52) umgeben sind, und

c) ein Übergangsstück (50), das in das offene untere Ende des Brennstoffkanals (52) eingeführt ist und folgendes enthält:

i) einen ringförmigen Rand (60), der eine im wesentlichen kreisförmige Einlaßöffnung (66) an einem unteren Ende des Übergangsstücks (50) umgibt, wobei der ringförmige Rand (60) eine sich konisch verjüngende Dichtungsfläche (61) bildet und in eine entsprechende konische Gegenfläche (62) am oberen Rand eines der Durchgänge (63) paßt,

ii) eine trichterförmige Aufweitung (65) neben der sich konisch verjüngenden Dichtungsfläche (61), wobei ein oberer Teil (51) der Aufweitung (65) auf den rechteckigen Kanalquerschnitt abgestimmt ist und eine untere Stabhalteplatte (53) trägt, die das offene untere Ende des Brennstoffkanals bedeckt,

iii) ein Zentrier- und Positioniermittel (70) zur Positionierung der sich konisch verjüngenden Dichtungsfläche (61) in einer koaxialen Position bezüglich der konischen Gegenfläche (62), wobei das Zentrier- und Positioniermittel (70) von dem ringförmigen Rand nach unten in den zylindrischen Durchgang ragt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Positionier- und Zentriermittel (70) durch mindestens drei Finger (70) gebildet wird, die abstandsgleich entlang dem Umfang des ringförmigen Rands (60) verteilt sind, und

- die kreisförmige Einlaßöffnung (66) im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der zylindrische Durchgang (63) aufweist, wobei sich die Finger radial in die kreisförmige Einlaßöffnung (66) erstrecken.

2. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem die Finger (70) gerade Fingerteile (71) aufweisen, die sich neben dem ringförmigen Rand (60) befinden und parallel zu den Seitenwänden des Durchgangs (63) verlaufen.

3. Kernbrennelement nach Anspruch 2, bei dem die geraden Fingerteile (71) eine Umfangsfläche aufweisen, die Segmente einer Zylinderfläche bildet, wobei der Radius des Zylinders höchstens einen Millimeter kleiner ist als der Radius des Durchgangs (63).

4. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem die sich konisch verjüngende Dichtungsfläche (61) an ihrem kleinsten Kreisquerschnitt einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des zylindrischen Durchgangs (63) oder praktisch gleich diesem Durchmesser ist.

5. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem die Gegenfläche (62) und ein zylindrischer Teil des Durchgangs (63) eine eine Achse des Durchgangs (63) umgebende Kante (67) bilden und der untere Rand (60) des Übergangsstücks über der Kante (67) positioniert ist.

6. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem die Finger (70) Fingerenden (72) aufweisen, die sternförmig zueinander weisen und durch einen untersten Spitzenteil (73) des Übergangsstücks aneinander befestigt sind.

7. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem die Finger (70) durch ein Material. (74) mit dem ringförmigen Rand verbunden sind, das eine konkave Krümmung (75) oder eine ausgesparte Kante bezüglich der Neigung der sich konisch verjüngenden Dichtungsfläche (61) bildet.

8. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem die untere Stabhalteplatte (53) einen kleineren Querschnitt aufweist als der Brennstoffkanal (52) und durch mehrere Rippen (86) auf jeder der vier Seiten des Brennstoffkanals von den Wänden des Brennstoffkanals (52) beabstandet ist, wobei die Rippen mehrere Strömungsdurchgangslöcher (86') zwischen dem Brennstoffkanal (52) und der unteren Stabhalteplatte (53) bilden.

9. Kernbrennelement nach Anspruch 8, bei dem die Rippen (86) eine Basis aufweisen, die gleich oder kleiner als ungefähr die Hälfte eines Abstands zwischen benachbarten Rippen (86) ist.

10. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem zumindest die meisten der Brennstäbe (87, 88, 89) an jeweils ihrem unteren Ende eine Endkappe (90) aufweisen, die über der unteren Stabhalteplatte (53) positioniert ist.

11. Kernbrennelement nach Anspruch 10, bei dem die Endkappe (90) ein Profil (91) zum Ergreifen mit einem Handhabungswerkzeug, eine stromlinienförmige oder ungefähr halbkugelförmig abgerundete Spitze unter dem Profil und eine abgerundete Kante über dem Profil aufweist.