DE69212892T2

DE69212892T2 - Kernbrennstabbündel mit Brennstäben von zwei Durchmessern

Info

Publication number: DE69212892T2
Application number: DE69212892T
Authority: DE
Inventors: Eric Bertil Johansson; Bruce Matzner; Anthony Paul Reese
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-05-17
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-05-13
Also published as: JP3121434B2; EP0514121A1; ES2090512T3; DE69212892D1; EP0514121B1; JPH05164868A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstäbe für Siedewasser-Kernreaktoren. Mehr im besonderen wird ein Brennstab mit einer Konstruktion von zwei Durchmessern zum Einsatz innerhalb eines Brennelementes in einem Siedewasser-Kernreaktor offenbart.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die japanische Kokai PS Nr. Sho 52-50498 von Ueda vorn 22. Apri] 1977 offenbart ein Brennelement mit Teilläugen-Brenustäben zum Einsatz in einem Siedewasser-Kernreaktor. Diese Teillängenstabe sind seitlich zueinander angeordnet, um große, zentrale Leerräume im Zentrum eines Brennelementes innerhalb eines Siedewasser-Reaktors zu bilden. Der große, zentrale Leerraum, der durch die Teillängenstäbe gebildet wird, befindet sich im oberen Zweiphasenbereich des offenbarten Brennelementes, und er hat die Gestalt eines Kegels.
In einer ersten Ausführungsform von Ueda ist der Kegel im oberen Teil des Brennelementes mit einem entsprechend großen, zentralen, konischen Wasserrohr gefüllt. In einer zweiten - und augenscheinlich bevorzugten - Ausführungsform von Ueda ist der große, zentrale, konische Hohlraum leer. Dieser große, zentrale, konische Leerraum gestattet die Abgabe von Dampf innerhalb des Brennelementes.
Die Ueda-PS erläutert die Brauchbarkeit des Designs als ein verbessertes Verhältnis von Moderator zu Brennstoff im oberen Zweiphasenbereich des Brennelementes gestattend. Diese Wirkung gilt offensichtlich sowohl für den kalten als auch den heißen Betriebszustand eines Brennelementes.
Weiter offenbart die Ueda-PS, daß zusätzlich zu den konischen Hohlräumen andere Hilfsmittel benutzt werden können. Spezifisch wird folgender Vorschlag gemacht:
"Zusätzlich können ähnliche Wirkungen wie oben durch Einsetzen von Brennstäben mit geändertem Durchmesser in der Axialrichtung erzielt werden, d.h. größerem Außendurchmesser der Brennstäbe im unteren Teil des Brennelementes und geringem Durchmesser der Brennstäbe im oberen Teil des Brennelementes." Es wird keine Darstellung dieser Ausführungsform gegeben. Weiter offenbart Ueda kein praktisches Design der vorgeschlagenen Brennstäbe.
In der EP-A-0 336 203 ist ein Brennelement für einen Siedewasser-Kernreaktor offenbart, das ebenfalls eine Vielzahl von Teillängenstäben aufweist. Wie bei Ueda, sind die Teillängenstäbe so angeordnet, daß sie eine Vielzahl von Dampf-Entlüftungskanälen im oberen Zweiphasenbereich des Brennelementes bilden. Die erläuterte Brauchbarkeit schließt ein verbessertes Verhältnis von Moderator zu Brennstoff im oberen Zweiphasenbereich des Elementes und einen verringerten Druckabfall im oberen Zweiphasenbereich des Brennelementes ein (doch ist sie darauf nicht beschränkt). Der verringerte Druckabfall ermöglicht für das offenbarte Brennelement-Design eine bessere Stabilität während des Betriebes.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wir sind uns dessen bewußt, daß die große, einzelne, zentrale Hohlraumregion in einem Brennelement für einen Siedewasser-Kernreaktor Bedenken hinsichtlich der kritischen Leistung der einzelnen Brennstäbe erzeugt. Spezifisch neigen solche großen, einzelnen, zentralen Hohlräume zum Mitreißen des Wassers (das sowohl Kühlmittel als auch Moderator ist) nach oben in übergroßen Mengen in die Hohlregion. Dies erzeugt große Strömungsraten im Zentrum des Brennelementes mit entsprechenden, geringeren Strömungsraten an der Peripherie des Brennelementes. Als ein Ergebnis erreichen die peripheren Brennstäbe ihre kritischen Leistungsgrenzen bei geringeren Gesamt-Strömungsraten des Kühlmittels im Brennelement. Das resultierende Gesamtdesign des Brennelernentes ist daher beschränkt.
In einem Kernbrennelement für einen Siedewasser-Reaktor ist das vom Stande der Technik vorgeschlagene Konzept von Brennstäben mit zwei Durchmessern, die die Bündelanordnung bilden, in einem praktischen Design offenbart, wie, z.B., in der US-A-5,009,840. Ein Brennstab mit zwei Durchmessern ist offenbart, der ein unteres Rohr großen Durchmessers zur Aufnahme einer Säule von Brennstoffpellets mit entsprechend großem Durchmesser am Boden des Brennstabes aufweist und mit einem oberen Rohr geringeren Durchmessers zur Aufnahme von Pellets mit entsprechend kleinerem Durchmesser am Oberteil des Brennstabes, und es ist ein Reduzierstück zwischen dem Oberteil des unteren Brennstoffrohres mit großem Durchmesser und dem Bodenteil des oberen Brennstoffrohres mit geringerem Durchmesser vorhanden. Die untere Säule aus Brennstoffpellets größeren Durchmessers wird an ihrem unteren Ende auf einer Feder abgestützt und direkt gegen das Reduzierstück am oberen Ende vorgespannt; die obere Säule von Brennstoffpellets geringeren Durchmessers ist an ihrem unteren Ende so dicht wie möglich an den darunterliegenden Brennstoffpellets großen Durchmessers abgestützt. Beide Rohre sind in konventioneller Weise an ihren distalen Enden vom Reduzierstück abgedichtet und konstruiert. Es sind verschiedene Arten von Reduzierstück-Abschnitten offenbart. Diese Reduzierstück-Abschnitte schließen ein Glocken-Reduzierstück fester Metall konstruktion, ein verjüngtes Hüllrohr und schließlich teleskopartige Hüllrohre ein, die zusammengeschweißt sind. Es ergibt sich ein Brennelement, das eine gleichmäßige Verteilung von Brennstoff und Kühlmittel mit einer resultierenden, gleichmäßigen, kritischen Leistung, keinen Regionen ungleichmäßiger Dampfströmung und einer verbesserten Strömungsfläche im oberen Zweiphasenbereich des Bündels aufweist.

ANDERE AUFGABEN, MERKMALE UND VORTEILE

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine praktische Konstruktion eines Brennstabes mit zwei Durchmessern und einer einzigen Durchmesseränderung zu offenbaren. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist ein Brennstab offenbart, der ein unteres Rohr großen Durchmessers, ein oberes Rohr geringen Durchmessers und ein Reduzierstück dazwischen aufweist. Das Reduzierstück verjüngt sich von einem Außendurchmesser, der dem Durchmesser des großen, unteren Rohres angepaßt ist, zu einem verringertn Durchmesser, der an den Durchmesser des oberen, schmaleren Rohres angepaßt ist. Das Reduzierstück ist mit einer zentralen Bohrung versehen, um den Druck der Spaitgase zwischen dem Rohr großen Durchmessers und dem Rohr geringen Durchmessers auszugleichen. Das obere Rohr ist mit einer Säule von Brennstoffpellets relativ geringen Durchmessers beladen. Das untere Rohr ist mit einer Säule von Brennstoffpellets relativ größeren Durchmessers beladen. Diese untere Säule von Brennstoffpellets größeren Durchmessers ist am Boden des Brennstabes abgestützt und nach oben gegen das Reduzierstück vorgespannt. Es ist bevorzugt, die untere Feder mit einem Federanschlag (wie einer Absorptionskammer für Spaltgas) zu versehen, der die Bewegung der unteren Säule von Brennstoffpellets im Falle eines Federversagens nach unten begrenzt. Es ergibt sich eine Brennstab-Konstruktion mit zwei Durchmessern, die den engst praktikablen Spalt zwischen der oberen und der unteren Brennstoffpellet-Säule aufweist.
Ein primärer Vorteil des Brennstab-Designs mit zwei Durchmessern ist es, daß ein Brennstoffelement offenbart ist, in dem das Gewicht des Brennstoffes erhöht werden kann. Diese Erhöhung wird gegenüber Brennelementen mit Teillängenstäben realisiert. Gleichzeitig wird das verbesserte Verhältnis von Brennstoit zu Moderator in allen Betriebszuständen des Siedewasser-Kernreaktors aufrechterhalten.
Ein weiterer Vorteil des Brennstab-Designs mit zwei Durchmessern ist es, daß eine gleichmäßigere Strömung innerhalb des Brennelementes stattfindet. Einfach gesagt, fördern Brennelemente mit Dampfentlüftungs-Volumina die Ungleichförmigkeit der Strömungsmittel- Strömung. In solchen Brennelementen mit Dampfentlüftungs-Volumina wird gehofft, daß der Dampf vorzugsweise zu den Hohlraumvolumina strömt, wobei sich flüssiger Moderator in der umgebenden, ununterbrochenen Brennstab-Matrix konzentriert. Bei der vorliegenden Erfindung bleibt die Querschnittsfläche, die für die Stömungsmittel-Strömung im unteren Abschnitt des Brennelementes verfügbar ist, und der Querschnitt für die Strömung im oberen Abschnitt des Brennelementes im wesentlichen unverändert, mit der Ausnahme einer geringen Zunahme der Strömungsfläche, die sich aus der Verringerung des Brennstab-Durchmessers vom großen Durchmesser am Boden jedes Brennstabes des Brennelementes zu einem geringen Durchmesser am Oberteil jedes Brennstabes des Brennelementes ergibt.
Ein Vorteil des geringen Abstandes der Brennstoffsäulen über dem Glocken-Reduzierstück ist es, daß der (Leistungs)peak am Ende der aufweisenden Brennstoffsäule bei einem Minimum gehalten ist. Spezifisch befinden sich die beiden Enden der Säulen in genügender Nähe zueinander, so daß sie hinsichtlich des umgebenden Neutronenflusses selbstabschirmend werden. Der Peak an den Enden der Säulen in der Mitte des Brennelementes wird bei einem Minimum gehalten.
Es ist zu bemerken, daß der Boden der Brennstoffpellet-Säule geringen Durchmessers und das Oberteil der Brennstoffpellet-Säule großen Durchmessers einen Spalt bilden. Dieser Spalt befindet sich in der Mitte des Brennelementes. Diese Mitte des Brennelementes befindet sich normalerweise in einem starken Fluß thermischer Neutronen. Ein großer Spalt zwischen dem Bodenteil der oberen Brennstoffpellet-Säule geringen Durchmessers und dem Oberteil der unteren Brennstoffpellet-Säule großen Durchmessers gestattet es dem umgebenden Fluß thermischer Neutronen, die Endabschnitte der benachbarten Brennstoffpellets zu "sehen". Dies fuhrt zu einer unerwuinscht stärkeren Reaktion an diesen Stellen, die, falls sie durch eine verringerte Anreicherung gemildert wird, die Abgabe des Brennelementes beeinträchtigt.
Ein zusätzlicher Vorteil des offenbarten Designs ist es, daß die Brennstoffpellets am Oberteil der Brennstoffpellet-Säule großen Durchmessers und die Brennstoffpellets am Boden der Brennstoffsäule geringen Durchmessers in guter, thermodynamischer Kommunikation mit dem Äußeren der Säule bleiben. Es ergibt sich eine verringerte Neigung des Überhitzens der Brennstoffpellets am Oberteil der Säule großen Durchmessers und der Brennstoffpellets am Boden der Säule geringen Durchmessers.
Ein weiterer Vorteil der offenbarten Stab-Konstruktion kann beim Zusammenbau realisiert werden. Spezifisch sind nur zwei Größen von Kernbrennstoff-Pellets erforderlich. Diese spezifischen Pellets werden von entgegengesetzten Enden der konstruierten Brennstäbe in zwei Rohre verschiedenen Durchmessers eingefüllt. Das Vorspannen des eingefüllten Brennstoffes gegen das Glocken-Reduzierstück erfolgt durch Federn, die auf konventionelle Dichtungen an den distalen Enden der Rohre wirken. Alle Dichtungen und Verschweißungen sind konventionell. Es ergibt sich eine vereinfachte Brennstab-Konstruktion.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, den offenbarten Brennstab in ein Brennelement einzubauen. Gemäß dieses Aspektes der Erfindung werden die offenbarten Stäbe mit zwei Durchmessern unter Abstützung auf einer untren Gitterplatte und mit voller Ausdehnung bis zu einer oberen Gitterpiatte in ein Brennelement eingeführt, wobei der Rest der Konstruktion des Brennelementes am Kanal und den Abstandshaltern konventionell ist.
Eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Brennelement mit axial abgestuften Änderungen vom Abschnitt der Brennstäbe großen Durchmessers zum Abschnitt der Brennstäbe geringen Durchmessers zu offenbaren. Gemäß diesem Aspekt werden mindestens zwei Konfigurationen von Brennstäben benutzt. Ein erster Brennstab enthält einen Übergang zwischen dem Bodenteil großen Durchmessers und dem oberen Abschnitt geringen Durchmessers in einer ersten Höhe. Ein zweiter Brennstab enthält den Übergang zwischen dem Bodenabschnitt großen Durchmessers und dem oberen Abschnitt geringeren Durchmessers in einer zweiten und etwas anderen Höhe. Es ergibt sich ein Brennelement, bei dem die Flußdichte am Übergang zwischen den Brennstäben in der Höhe über das Brennelement abgestuft ist, was die Wirkungen eines Mangels der Selbstabschirmung an den benachbarten Enden der Brennstoff-Säulen mildert.
Ein Vorteil eines Brennelementes mit den offenbarten Brennstäben ist es, daß es ein verbessertes, thermisch-hydraulisches Design mit einer gleichmäßigen Verteilung von Brennstoff und Kühlmittel mit optimaler kritischer Leistung einschließt, daß es keine Bereiche inhomogen hoher Dampfströmung einschließt, und daß es eine ausgedehnte Fläche für die Dampfströmung im oberen Zweiphasenbereich des Brennelementes einschließt.
Eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, alternierende Übergänge zwischen dem unteren Brennstab-Abschnitt großen Durchmessers und dem oberen Stababschnitt geringen Durchmessers zu offenbaren. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung sind Reduzierstücke offenbart, die massive, metallische Reduzierstücke, eine verjüngte Hülle und schließlich eine Hülle einschließen, bei der ein Hüllenabschnitt geringeren Durchmessers in einem anderen Hüllenabschnitt größeren Durchmessers teleskopartig angeordnet ist, wobei eine Schweißnaht zwischen den Hüllenabschnitten zur Schaffung der erforderlichen Dichtung vorhanden ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der zeigen:
Figur 1A eine perspektivische Asicht, teilweise im Schnitt, eines Brennelementes mit einer Ansammlung von Brennstäben mit Bodenabschnitten relativ größeren Durchmessers und oberen Abschnitten geringen Durchmessers, wobei die Brennstäbe in konventioneller Weise in einem Brennelement mit oberer und unterer Gitterplatte und einem umgebenden Kanal zum Begrenzen der Strömungsmittel-Strömung innerhalb des Kanals um die Ansammlung von Brennstäben zwischen den Gitterplatten herum zur Erzeugung von Dampf angeordnet sind;
Figur 1B ein vergrößertes Detail des mittleren Abschnittes des Brennelementes, das den Übergangsabschnitt mehrerer Brennstäbe vom Bodenabschnitt größeren Durchmessers zum oberen Abschnitt geringeren Durchmessers zeigt;
Figur 2 eine Schnittansicht, die nur maßgebliche Abschnitte der Höhe der Brennstäbe, die in dieser Erfindung benutzt werden, zeigt, so daß die Unterschiede in der Konstruktion vollständig von den Brennstäben nach dem Stande der Technik unterschieden werden können und
Figur 3 eine Schnittansicht eines Brennelementes ähnlich Figur 1B, die ein Brennelement zeigt, bei dem die Übergänge zwischen dem oberen Ende der Brennstoffpellet-Säulen großen Durchmessers und dem unteren Ende der Brennstoffpellet-Säulen geringen Durchmessers zwischen benachbarten Brennstäben abgestuft sind;
Figur 4A eine Seiten-Schnittansicht eines Brennstabes mit einer Verjüngung am Übergang zwischen dem unteren Brennstab größeren Durchmessers und dem oberen Brennstab geringeren Durchmessers, wobei das Design zwei Größen von Brennstoffpellets benutzt;
Figur 4B eine Seiten-Schnittansicht eines Brennstabes mit einer Verjüngung am Übergang zwischen dem unteren Brennstab größeren Durchmessers und dem oberen Brennstab geringeren Durchmessers, wobei das Design zwei Größen von Brennstoffpellets mit einem Übergangs-Brennstoffpellet dazwischen benutzt und
Figur 5 einen verjüngten Brennstab, der aus oberen und unteren Brennstab-Abschnitten entwickelt ist, die in teleskopartiger Beziehung an ihren Übergangspunkten angepaßt sind.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Figur 1A ist ein Brennelement B veranschaulicht. Das Brennelement B schließt eine untere Gitterplatte 14, eine obere Gitterpiatte 16 mit einem daran befestigten Handgriff 18 zum Manipulieren des Elementes ein. Ein Kanal 20, der ein quadratisches Inneres bildet, erstreckt sich von der oberen Gitterplatte 16 nach unten bis zur unteren Gitterpatte 14 und umgibt eine Matrix von Stäben R. Wie im folgenden detaillierter erläutert, haben die Stabe R zwei Durchmesser. Die Stäbe haben einen Bodenabschnitt 24 großen Durchmessers und einen oberen Abschnitt 22 geringen Durchmessers.
In Figur 1B ist der verjüngte Abschnitt der Stäbe R veranschaulicht. Spezifisch ist ein Glocken-Übergangsstück 26 zwischen den oberen Abschnitten 22 geringen Durchmessers und den unteren Abschnitten 24 großen Durchmessers gezeigt.
Die hier veranschaulichte Konstruktion schließt eine schematische Darstellung eines oberen Abstandshalters U und eines unteren Abstandshalters L ein. Spezifisch gibt es etwa 6 bis 8 solcher Abstandshalter, die entlang der Länge des Brennelementes verteilt sind.
Es wird realisiert werden, daß das Brennelement aus einer Anordnung solcher Brennstäbe besteht. Solche Anordnungen können in der Dichte von 7 × 7- bis zu 12 × 12-Anordnungen variieren. Es werden Anordnungen im Bereich von 9 × 9 bis 10 × 10 bevorzugt.
Nach der allgemeinen Erläuterung der Konstruktion der Brennelemente unter Benutzung der Brennstäbe R mit zwei Durchmessern kann die detaillierte Konstruktion der Brennstäbe R unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert werden. In Figur 2 erstreckt sich ein typischer Brennstab mit einem abge(lichüeten, oberen Ende 30, das an einer oberen Gitterplatte 16 abgestützt ist, nach unten bis zu einem abgedichteten, unteren Ende 32 an der unteren Gitterplatte 14. Der Stab ist im Schnitt gezeigt, um einen mittleren Abschnitt des Brennsta bes R am Punkt des Überganges zwischen dem unteren Rohr 24 großen Durchmessers und dem oberen Rohr 22 geringeren Durchmessers zu veranschaulichen.
Es ist ersichtlich, daß ein Glocken-Reduzierstück eingesetzt ist. Das Glocken-Reduzierstück hat eine Übergangsoberfläche 27, die einen graduellen und glatten Übergang auf der äußeren Oberfläche zwischen dem Bodenrohr 24 großen Durchmessers und dem oberen Rohr 22 geringen Durchmessers schafft.
Es ist brauchbar, die Konstruktion des Glocken-Reduzierstückes 26 detailliert zu betrachten.
Das Glocken-Reduzierstück 26 hat einen oberen, geringeren Durchmesser 31. Dieser obere, geringere Durchmesser 31 ist an den Außendurchmesser des Rohres 22 geringen Durchmessers angepaßt.
Das Glocken-Reduzierstück hat einen unteren Abschnitt 34 größeren Durchmessers. Dieser Abschnitt 34 größren Durchmessers ist an den Außendurchmesser des Rohres 24 angepaßt.
Das Glocken-Reduzierstück weist eine erste Aussparung 33 auf. Diese Aussparung 33 schließt die Möglichkeit eines engen Paßsitzes im inneren Durchmesser des oberen Rohres 22 geringen Durchmessers ein. Das Glocken- Reduzierstück 26 hat an seinem Bodenabschnitt eine ähnliche Aussparung 35. Die Aussparung 35 ist zum engen Paßsitz im inneren Durchmesser des Bodenrohres 24 großen Durchmessers konfiguriert.
In der Mitte des Glocken-Reduzierstückes ist ein Durchgang 40 ausgebildet. Der Durchgang 40 gestattet es Spaltgasen, einen Ausgleich herzustellen zwischen der abgedichteten Kammer, die durch den oberen Rohrabschnitt 22 geringen Durchmessers gebildet wird, und dem unteren Rohrabschnitt 24 großen Durchmessers.
Das Glocken-Reduzierstück trägt an der Oberfläche 44 eine Säule von Pellets 51 geringen Durchmessers. Die Pellets 51 sind in konventioneller Weise durch eine Spiralfeder 48 am Ring 46 auf die Oberfläche 44 des Glocken-Reduzierstückes 26 vorgespannt. In dieser Hinsicht ist die Konstruktion des Stabes R, die in Figur 2 veranschaulicht ist, sehr ähnlich dem Stande der Technik.
Das untere Rohr 24 großen Durchmessers trägt eine Säule von Pellets 60 großen Durchmessers. Die Pellets 60 großen Durchmessers sind an einem Ring 66 durch eine Feder 68 abgestützt. Typischerweise sind die Pellets 60 in direktem Kontakt mit der unteren Oberfläche 46 des Glocken-Reduzierstückes vorgespannt. Es wird hier klar sein, daß die Abstützung der Pellets sich radikal von den Konstruktionen nach dem Stande der Technik unterscheidet. Das Vorspannen der Säule von Pellets 60 durch die Feder 68 nach oben gegen die Oberfläche 46 des Glocken- Reduzierstückes 26 stellt eine unübliche Konstruktion in der Nuklearindustrie dar. Es gibt einen wichtigen Grund für diese Konstruktion.
Befinden sich Brennstoffpellets, wie die Pellets 51 oder 60, in einer kontinuierlichen Säule innerhalb eines Reaktors und unterliegen einer Kernspaltung, dann umgibt eine Population thermischer Neutronen die Brennstoffpellets und stellt die Fortsetzung der Kernreaktion sicher. An der Grenzfläche zwischen den Pellets (z.B. Grenzfläche 62 zwischen Pellets 60 in Figur 2) dient das spaltbare Material innerhalb benachbarter Pellets zur Selbstabschirmung. D.h., daß die diskreten Kern-Brennstoffpellets an ihrer Grenzfläche, gut innerhalb einer Säule, die hohen Neutronendichten daran hindern, ein rasches Abbrennen des Kernbrennstoltes zu verursachen.
Wo eine Säule von Brennstoff endet, wie am Ende 65 der Säule von Brennstoffpellets 60, gibt es ein solches Seibstabschirmen nicht. Dementsprechend können solche Pellets heiße Flekken in der Pelletsäule werden, die die Leistungsfähigkeit des Brennstabes begrenzen.
Mit dem offenbarten Glocken-Reduzierstück 26 wird der Abstand zwischen dem unteren Brennstoffpellet 51 geringen Durchmessers und dem oberen Brennstoffpellet 60 großen Durchmessers bei einem Minimum gehalten. Das Halten dieses Abstandes bei einem Minimum stellt die maximal mögliche Seibstabschirmung an der oberen Säule von Brennstoffpellets 51 geringen Durchmessers und der unteren Säule von Brennstoffpellets 60 großen Durchmessers sicher.
Der zugelassene Abstand zwischen dem unteren Brennstoffpellet 51 geringeren Durchmessers und dem oberen Brennstoffpellet 60 großen Durchmessers wird ausdrücklich begrenzt. Dieser Abstand sollte bei einem Minimum gehalten werden. Er sollte 228,6 mm (9 inches) nicht übersteigen, sollte geringer sein als 127 mm (5 inches), und er liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 25,4 mm (1 inch).
Es ist auch ersichtlich, warum die Feder 68 am Boden der Brennstoffpellets 60 großen Durchmessers angeordnet ist. Durch Bewegen des Raumintervalls, das zum Vorspannen der oberen Säule von Brennstoft.pellets 60 gegen den unteren Abschnitt des Brennelementes benachbart dem Endstopfen 32 an der unteren Gitterplatte 14 erforderlich ist, wird ein Minimalspalt zwischen den Säulen von Brennstoffpellets in der Nähe des Glocken-Reduzierstückes 26 sichergestellt.
Es ist häufig erforderlich in Brennstäben R, daß sie eine Kammer C zum Absorbieren von Gasen der Kernspaltung aufweisen. Wie hier dargestellt, weist die Spiralfeder 68 eine Kammer C innerhalb der Feder auf. Die Kammer C ist von stabiler Konstruktion, so daß sie das volle Gewicht der Pelletsäule 60 zwischen der oberen Oberfläche 80 der Kammer und der Bodenoberfläche 82 tragen kann.
Es ist ersichtlich, daß ein kleiner Raumspalt 83 zwischen dem Ring 66 und der Oberfläche 80 der Kammer C beibehalten ist. Dieser geringe Raumspalt wird in dem Falle genutzt, in dem die Feder 68 versagt. Beim Versagen der Feder 68 wird ein Spalt zwischen dem oberen Pellet 60 und der Grenzfläche 46 des Glocken-Reduzierstückes 26 bei einem absoluten Minimum gehalten.
Es sollte verstanden werden, daß die Konstruktion des Stabes mit zwei Durchmessern notwendigerweise auf nur zwei Durchmesser von Brennstoffrohr beschränkt ist. Diese Durchmesser sind das obere Rohr 22 geringen Durchmessers und das untere Rohr 24 großen Durchmessers.
Es können einige Bemerkungen über die Konstruktion des Brennstabes gemacht werden. Typischerweise würden das Glocken-Reduzierstück 26, der obere Abschnitt 22 geringen Durchmessers und der untere Abschnitt 24 großen Durchmessers zuerst verbunden werden. Diese Stababschnitte würden durch Schweißnähte an den Oberflächen 30 und 36 verbunden werden, um eine abgedichtete Konstruktion zwischen dem oberen Rohr 22 und dem unteren Rohr 24 zu bilden.
Danach würden das entsprechende obere Rohr 22 und untere Rohr 24 mit ihren jeweiligen Brennstoffpellets 51 bzw. 60 von beiden Enden beladen werden. Schließlich würden die entsprechenden Federn und Endstopfen 30 und 32 eingeführt und an den Enden der Rohre 22,24 konventionell abgedichtet werden, wie durch Schweißen. Es würde sich eine gasdichte Brennstab-Konstruktion ergeben.
In Figur 3 sind drei Brennstäbe gezeigt, die aus einem Brennelement stammen, bei dem der Übergang zwischen dem Bodenteil von Brennstäben großen Durchmessers und dem oberen Teil von Brennstäben geringen Durchmessers zwischen benachbarten Brennstäben abgestuft ist. Spezifisch weisen die Brennstäbe R1 ihr entsprechendes Glocken-Reduzierstück 26 in einer geringeren Höhe auf. Die Stäbe R2, von denen nur einer gezeigt ist, haben ihr Glocken-Reduzierstück 26' in einer zweiten und größeren Höhe. Dieses Design gestattet die Milderung der Auswirkungen des Eindringens des thermischen Neutronenflusses in die Enden der Brennstoffpellet-Säulen im mittleren Abschnitt des Brennelementes.
Es ist möglich, Rohre, die bei der Brennstab-Hülle eingesetzt werden, mit einer Verjüngung strangzupressen. Die Figuren 4A und 4B zeigen solche Rohre. In Figur 4A sind die Pellets 60 großen Durchmessers durch eine Feder 68 (siehe Figur 2), die genügend Kraft hat, um das Pellet 60 direkt gegen die Verjüngung 86 des Stabes R zu drücke xi, nach oben vorgespannt. Diese Ausführungsform bildet ein Raumintervall zwischen dem unteren Pellet 51 und der Verjüngung 86, was die Übertragung der Wärme des unteren Pelletes 51 durch die Wand des Brennstabes R verzögern kann.
In Figur 4B schließt die Brennstoffpellet-Säule größeren Durchmessers ein verjüngtes Übergangspellet 160 ein. Das verjüngte Übergangspellet 160 hat eine geneigte Schulter, um in das Innere der Verjüngung 86 zwischen dem unteren Abschnitt des Brennstabes 24 größeren Durchmessers und dem oberen Abschnitt des Brennstabes 22 kleineren Durchmessers zu ragen.
Das Übergangspellet kann Brennstoff, Brennstoff mit abbrennbarem Gift, Moderator oder abbrennbares Gift enthaltenden Moderator einschließen.
In Figur 5 ist eine andere Konstruktion der Verjüngung vorgeschlagen. In diesem Falle paßt ein oberer Brennstab 22 geringeren Durchmessers teleskopartig in einen unteren Brennstab 24 großen Durchmessers. Vor dem Einsetzen wird der Bodenteil des Rohres 22 geringeren Durchmessers an dem kleinen Scheibenstopfen 165 geschlossen. Der Scheibenstopfen 165 schließt eine Öffnung 170 zum Ausgleich des Spaitgas-Druckes ein, wobei diese Scheibe durch eine Schweißnaht 172 am Boden des oberen Brennstabes 22 geringeren Durchmessers befestigt ist. Die Schweißnaht 172 muß keine abgedichtete Schweißnaht sein.
Der untere Stab 24 großen Durchmessers wird an den oberen Stab 22 kleineren Durchmessers geschweißt und nm diesen herum an der Schweißnaht 168 abgedichtet. Die Schweißnaht 168 wird abgeschrägt, um den erforderlichen, graduellen Übergang zwischen dem oberen Rohr 22 geringeren Durchmessers und dem unteren Rohr 24 großen Durchmessers zu schaffen. Es ergibt sich ein abgedichteter Brennstab R.

Claims

1. Brennstab für ein Brennelement (B) eines Siedewasser-Kernreaktors mit einer Vielzahl von Brennstäben (R), wobei der Stab umfaßt:

ein unteres Rohr (24) größeren Durchmessers zum Aufnehmen einer Säule entsprechend größerer Brennstoffpellets (60) am Boden eines Brennstabes, ein oberes Rohr (22) geringeren Durchmessers zum Aufnehmen einer Säule entsprechend kleinerer Brennstoffpellets (51) am Oberteil des Brennstabes und

eine Einrichtung (30,32) zum Abdichten des unteren und des oberen Rohres an den distalen Enden des Brennstabes, gekennzeichnet durch:

ein Reduzierstück (26), das zwischen dem unteren Rohr (24) größeren Durchmessers und dem oberen Rohr (22) geringeren Durchmessers angeordnet ist und sich vom größeren Außendurchmesser des unteren Rohres zum geringeren Außendurchmesser des oberen Rohres verjüngt und

eine Einrichtung (68,80) zum Abstützen der Säule aus größeren Brennstoffpellets im unteren Rohr und zum Vorspannen der Säule größerer Brennstoffpellets zum oberen Ende des unteren Rohres benachbart dem Reduzierstück (26), wodurch die Säule größerer Brennstoffpellets im unteren Rohr und die Säule kleinerer Brennstoffpellets im oberen Rohr Ende an Ende bei geringst möglichem räumlichem Abstand im Reduzierstück angeordnet sind, um eine Spitze an den Enden der Säulen benachbart dem Reduzierstück zu minimieren.

2. Brennstab nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zum Vorspannen (48) im oberen Rohr zum Abstützen des unteren Endes der Säule aus kleineren Brennstoffpellets unmittelbar benachbart dem unteren Ende des oberen Rohres geringeren Durchmessers.

3. Brennstab nach Anspruch 1 oder 2, worin das Reduzierstück (26) eine Aussparung (35) in seinem unteren Teil größeren Durchmessers zur Aufnahme eines Endes des unteren Rohres (24) größeren Durchmessers und eine Aussparung (33) in seinem oberen Teil geringeren Durchmessers zur Aufnahme eines Endes des oberen Rohres (22) kleineren Durchmessers aufweist.

4. Brennstab nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Säule aus kleineren Pellets im oberen Rohr (22) durch das obere Ende des Reduzierstückes (26) getragen ist.

5. Brennstab nach Anspruch 1, worin das obere Rohr in einer oberen Gitterplatte (16) des Brennelementes abgestützt ist.

6. Brennstab nach Anspruch 1, worin das Reduzierstück einen Strang (86) des oberen Rohres von dem unteren Rohr umfaßt.

7. Brennstab nach Anspruch 6, mit einem verjüngten Übergangspellet (160) in dem Strang (86) zwischen dem oberen Rohr und dem unteren Rohr.

8. Brennstab nach Anspruch 1, worin sich das obere Rohr (22) teleskopartig in das untere Rohr (24) erstreckt und ein Scheibenstopfen (165) die kleineren Pellets von den größeren Pellets trennt.

9. Brennstab nach Anspruch 5, mit einem in dem Reduzierstück ausgebildeten Durchgang (40).

10. Brennstab nach Anspruch 9, mit einer in dem Scheibenstopfen (165) ausgebildeten Öffnung (170).

11. Brennstab nach Anspruch 1, bei dem einige Brennstabe mit unterschiedlichem Durchmesser ein Reduzierstück in einer anderen Höhe aufweisen als andere Brennstäbe mit unterschiedlichem Durchmesser.