CH668143A5

CH668143A5 - Kernspaltstoffanordnung fuer siedewasserreaktoren.

Info

Publication number: CH668143A5
Application number: CH2012/85A
Authority: CH
Inventors: Thomas Raphael Freeman; John Francis Wilson; Ronald Paul Knott
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1984-05-11
Filing date: 1985-05-10
Publication date: 1988-11-30
Also published as: ES8702037A1; ES542857A0; IT1184549B; US4655995A; SE459999B; IT8520588A0; SE8501953L; SE8501953D0; JPS60244893A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernspaltstoffanordnung für Siedewasserreaktoren.

Bekanntlich wird der eigentliche Kern eines Kernreaktors durch eine Anzahl von Spaltstoffanordnungen gebildet, von denen jede eine Anzahl in einer vorgegebenen regelmässigen Anordnung gehaltener Kernbrennstäbe umfasst. Dieser Kern ist üblicherweise in ein flüssiges Kühlmittel wie Leichtwasser eingetaucht, welches der Wärmeableitung von den Kernbrennstäben und ausserdem als Neutronenbremse dient.

Eine Spaltstoffanordnung eines üblichen Siedewasserreaktors kann vierundsechzig Brennstäbe umfassen, die in einer regelmässigen Anordnung von 8x8 Brennstäben zwischen oberen und unteren Verbindungsplatten gehalten werden.

Ein bei Siedewasserreaktoren anzutreffendes Problem besteht darin, dass der Brenn- oder Spaltstoff im unteren Bereich der Spaltstoffanordnungen schneller «verbrennt» als im oberen Bereich, weil ein Siedewasserreaktor aufgrund einer von oben nach unten unterschiedlich verlaufenden Dampfblasenabschei-dung ein zum unteren Ende jeder Spaltstoffanordnung schräg verlaufendes Leistungsspektrum aufweist. Etwa auf einem Viertel der Strecke über dem unteren Ende der Spaltstoffanordnung beginnt üblicherweise die Kühlflüssigkeit zu sieden, und darüber steigert sich die Dampfblasenabscheidung bis auf 60% bis 70% am oberen Ende der Spaltstoffanordnung. Da das Kühlmittel als schnelle Neutronen abbremsender Neutronen-Moderator wirkt, ergibt sich durch das niedrige Wasserstoff/Uran-Verhältnis am oberen Ende des Kerns die Situation, dass der Kern dort weniger reaktiv ist und folglich oben weniger Leistung abgibt als an seinem unteren Ende.

Obwohl bei üblichen Siedewasserreaktoren zur Begrenzung dieser Charakteristik und Leistungsverteilung von unten Kontrollstäbe in den Kern eingeführt werden, findet dennoch am unteren Kernbereich eine höhere Leistungsabgabe und ein höherer Abbrand statt, so dass der Spaltstoff am unteren Ende des Reaktorkerns, wo die Wasserdichte am grössten ist, vollständiger abgebrannt wird als im oberen Bereich. Das führt zu nicht optimalem Spaltstoff-Abbrand und zu höheren Energiekosten.

In der GB-Patentschrift Nr. 923 633 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Beschicken eines Siedewasserreaktors mit dem Ziel, einen gleichmässigeren Spaltstoffabbrand zu erreichen, vorgeschlagen worden. Nach diesem Verfahren werden die Brennstäbe innerhalb der Spaltstoffanordnung, welche dafür in axialè und radiale Zonen mit unterschiedlichen Abbrand-Durchschnittswerten unterteilt worden ist, nach einem komplexen Plan fortlaufend von Zone zu Zone transportiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Spaltstoffanordnung aufzuzeigen, mit der auf relativ einfache Weise ein vollständigerer Spaltstoffabbrand in einem Siedewasserreaktor erzielt werden kann.

Die erfindungsgemässe Kernspaltstoffanordnung umfasst einen rohrartigen Durchflusskanal, der zusammen mit einer an einem Ende desselben befestigten unteren Düsenanordnung eine äussere Umhüllung bildet, und ein in die Umhüllung einführbares Spaltstoffpaket; sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltstoffpaket eine Anzahl länglicher Brennstäbe und ein Paar Verbindungsplatten umfasst, welche so mit entgegengesetzten Endabschnitten der Brennstäbe zusammenwirken, dass die Brennstäbe in seitlichen Abständen voneinander unter Einhals

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tung einer vorgegebenen regelmässigen Anordnung gehalten werden, und dass die Verbindungsplatten im wesentlichen identisch gestaltet und mit entsprechend ausgebildeten Einrichtungen zum mechanischen Zusammenwirken des Spaltstoffpakets mit der Umhüllung ausgestaltet sind, die es ermöglichen, das Spaltstoffpaket in jeweils einer von zwei entgegengesetzt orientierten Axiallagen in die Umhüllung einzuführen.

Das auf diese Weise zwischen zwei im wesentlichen identischen und spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Verbindungsplatten aufgenommene Spaltstoffpaket ist aus mechanischer und hydraulischer Sicht an seinem oberen und unteren Ende gleichartig. Folglich kann das Spaltstoffpaket nach einer gewissen Betriebszeit in einem Reaktorkern aus seiner Umhüllung herausgezogen, umgedreht und anschliessend mit dem Ende, das zuvor im oberen Bereich des Kerns war und entsprechend weniger abgebrannt ist, nach unten gekehrt wieder eingeführt werden, damit das weniger abgebrannte Ende jetzt am Boden des Kerns liegt, wo das neutronenbremsende Kühlmittel dichter ist und anschliessend ein intensiver Abbrand erfolgt. Die Erfindung ermöglicht somit durch einfaches Wenden des Brennstoffpakets und ohne jegliche Modifizierung an der den Durchflusskanal und eine untere Düsenanordnung umfassenden Umhüllung eine vollständigere Ausnutzung jeder Kernspaltstoff-Charge und damit eine wesentliche Senkung der Brenn-stoffkosten im Reäktorbetrieb.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden in der Spaltstoffanordnung Brennstäbe mit einem Mantelrohr, das Kernspaltstoff und an einem Ende ein Plenum zur Aufnahme von beim Reaktorbetrieb anfallendem Spaltgas in dem Mantelrohr aufweist, verwendet. Vorzugsweise sind die Brennstäbe so gehalten, dass eine erste Anzahl Brennstäbe mit ihrem Spaltgasplenum der einen und eine zweite Anzahl Brennstäbe mit ihrem Spaltgasplenum der anderen Verbindungsplatte zugekehrt sind. Vorzugsweise sind im Wechsel jeweils Brennstäbe mir der einen Verbindungsplatte zugekehrtem Spaltgasplenum zwischen Brennstäben mit der anderen Verbindungsplatte zurgekehrtem Spaltgasplenum angeordnet. Auf diese Weise sind in jeder Lage der Spaltstoffanordnung zur Oberseite und Unterseite des Reaktorkerns orientierte Spaltgasplena aus nuklearer Sicht in Axialrichtung symmetrisch verteilt angeordnet. Die aktive Spaltstofflänge und Position im Kern ist in jeder Lage des Spaltstoffpakets die gleiche. Ausserdem wird durch Verlegung jedes zweiten Spaltgasplenums an den Kernboden das Wasserstoff/Uran-Verhältnis an den Kernenden und damit die Reaktivität des Kerns vergrössert, weil ein Siedewasserreaktor normalerweise an der Kernoberseite in einem untermoderierten und an der kälteren Kernunterseite im übermoderierten Zustand arbeitet.

Schätzungsweise können bei einem Siedewasserreaktor durch die erfindungsgemäss mögliche Spaltstoffpaket-Umkehr etwa zwei bis drei Prozent an Brennstoffkosten gewonnen und durch Verlagerung der Hälfte der Spaltgasplena auf die Kernunterseite weitere zwei bis drei Prozent gewonnen werden. Somit können gegenüber herkömmlichen Spaltstoffanordnungen durch Verwendung der Erfindung etwa fünf Prozent der gesamten Brennstoffkosten eingespart werden.

Ausserdem hat die erfindungsgemässe Spaltstoffanordnung den Vorteil, dass sie mit anderen Siedewasserreaktor-Spaltstoffanordnungen kompatibel ist; sie kann beim Brennstabwechsel leicht als Ersatz für herkömmliche Spaltstoffanordnungen in einen Siedewasserreaktorkern eingesetzt werden.

Nachstehend werden die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnitten und abgebrochen dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemässen Spaltstoffanordnung und

Fig. 2 eine separate Perspektivansicht einer in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 enthaltenen Verbindungsplatte.

Die in Fig. 1 dargestellte Spaltstoffanordnung 100 umfasst eine Anzahl länglicher Brennstäbe 102, die sich zwischen einer oberen Verbindungsplatte 104 und einer unteren Verbindungsplatte 106 erstrecken und durch ein oder mehrere Abstandhaltegitter 108 in einer regelmässigen Anordnung unter Einhaltung seitlicher Abstände zueinander gehalten werden; die Abstandhaltegitter werden jeweils bezüglich Anzahl und Formgebung nach den gegebenen thermischen, hydraulischen, nuklearen und mechanischen Eigenschaften der Spaltstoffanordnung 100 ausgewählt.

Ein länglicher strömungsundurchlässiger äusserer Durchflusskanal 110, welcher vorzugsweise aus einer unter der Bezeichnung Zircaloy bekannten Zirkon-Legierung hergestellt ist, erstreckt sich im wesentlichen durch die gesamte Länge der Spaltstoffanordnung 100 und ist fest verbunden mit einer unteren Düsenanordnung oder Basis 112, die vorzugsweise aus für den Reaktorbau geeignetem Edelstahl hergestellt ist.

Ein unterer Endabschnitt 114 des Durchflusskanals 110 ist durch eine Art Formschlussverbindung mit einem oberen Endabschnitt 116 der Basis 112 verbunden; das untere Ende des Durchflusskanals 110 ist auf einer sich an den reduzierten oberen Endabschnitt 116 der Basis 112 anschliessenden Schulter 118 abgestützt. Zur Befestigung des unteren Endabschnitts 114 des Durchflusskanals 110 an der Basis 112 können Schrauben 120 verwendet werden, die durch Öffnungen 122 im Endabschnitt 114 hindurchgeführt und in Gewindebohrungen 124 des Basis-Endabschnitts 116 eingeschraubt sind. Die Schrauben 120 sind zwecks Bildung einer glatten Oberfläche vorzugsweise in den Kanalendabschnitt 114 versenkt. Vorzugsweise sind alle vier Seiten des Endabschnitts 114 des Durchflusskanals 110 so mit der Basis 112 verbunden.

Entsprechend der üblichen Technik ist die Basis 112 in ein Loch der hier nicht dargestellten Kernplatte des Reaktorkerns einführbar und besitzt zu diesem Zweck vorzugsweise entsprechende Führungsstangen 125.

Das dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Spaltstoffanordnung 100 enthält ein Paket von vierundsechzig Brennstäben, die in einer regelmässigen Anordnung von 8x8 Brennstäben gehalten sind und jeweils an ihren beiden entgegengesetzten Enden je ein Endsteckteil 126 besitzen.

Erfindungsgemäss sind die beiden oberen und unteren Verbindungsplatten 104 und 106 im wesentlichen identisch. Jede dieser Verbindungsplatten wie die in Fig. 2 dargestellte obere Verbindungsplatte 104 ist durch Giessen oder Bearbeitung als einer Eierpackung ähnliches Gitterelement mit einer Anzahl sich kreuzender Stege 128 ausgebildet, zwischen denen das Reaktorkühlmittel hindurchfliessen kann. An jeder der zahlreichen Brennstab-Rasterpositionen befindet sich ein kleiner Zylinder mit einer zylindrischen Öffnung 130 zur Aufnahme jeweils eines axialen Verlängerungszapfens 132 des jeweiligen Endsteckteils 126 des zugeordneten Brennstabs 102 mit einer Schiebesitzpassung. Diese Schiebesitzpassung zwischen den Brennstäben 102 und den oberen beziehungsweise unteren Verbindungsplatten 104, 106 gewährleistet bei guter Seitenführung der Brennstäbe eine gewisse axiale Bewegungsfreiheit derselben gegenüber den Verbindungsplatten. Durch über die Verlängerungszapfen 132 der oberen Endsteckteile 126 geschobene Druckfedern 134 werden die Brennstäbe 102 auf die untere Verbindungsplatte 106 gepresst und elastisch an der oberen Verbindungsplatte 104 abgestützt.

Vorzugsweise ist zumindest ein Brennstab jedes Spaltstoffpakets als die oberen und unteren Verbindungsplatten 104 und 106 zusammenhaltender Verbinderstab 136 ausgebildet; damit werden alle Brennstäbe 102 zu einer Einheit zusammengehalten. Die oberen und unteren Endsteckteile 126 des Verbinderstabs haben jeweils ein durch eine Öffnung 140 (Fig. 2) der zugeord5

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neten Verbindungsplatte 104 oder 106 geführtes verlängertes Gewindeteil 138 und eine darauf geschraubte Mutter 142.

Ein in den Durchflusskanal 110 eingeformter Aushebeschlitz 144 erleichtert die Handhabung der Spaltstoffanordnung 100, welche ferner aussen mit Puffern 146 versehen ist, die im Ein-bauzustand zusammen mit ähnlichen Puffern benachbarter Spaltstoffanordnungen für die Einhaltung ausreichender Abstände für den Kühlmitteldurchfluss sorgen. Ausserdem ist auf einer Säule 148 mittels einer Schraube 152 eine vorzugsweise in zwei Richtungen wirkende Aussenblattfeder 150 befestigt, welche gemeinsam mit ähnlichen Blattfedern benachbarter Spaltstoffanordnungen der Aufrechterhaltung von Abständen und der Lastübertragung zwischen benachbarten Spaltstoffanordnungen dient. Bezüglich weiterer Einzelheiten solcher Blattfederanordnungen wird auf ein US-Patent Nr. Re-27 173 verwiesen. Zur Aufnahme der radial nach aussen vorstehenden Puffer 146 und Blattfederanordnung 150 ist der Durchflusskanal 110 mit entsprechend dimensionierten Aussparungen 154 versehen.

Die untere Düsenanordnung oder Basis 112 besitzt eine kleiner dimensionierte und vorzugsweise integral angegossene Ein-Iassdüse 156 mit einer Einlassöffnung 158 als Durchlassöffnung für neutronenabbremsendes Kühlmittel in die Spaltstoffanordnung.

Durch die Einlassdüse 156 strömendes neutronenbremsendes Kühlmittel gelangt zunächst in einen oberhalb der Düse 156 gelegenen Plenumbereich 160 und wird anschliessend durch Öffnungen einer Lochplatte 162 gleichmässig über den Querschnitt der Spaltstoffanordnung verteilt. Die Lochplatte 162 verleiht der Spaltstoffanordnung etwa den gleichen Druckabfall wie er in den übrigen Spaltstoffanordnungen des Reaktorkerns herrscht, in welche die neue Spaltstoffanordnung eingesetzt wird. Falls die Verbindungsplatten 104 und 106 so gestaltet sind, dass an ihnen der gewünschte Druckabfall stattfindet, könnte auf die Lochplatte 162 verzichtet werden.

Jeder der Brennstäbe 102 umfasst ein Mantelrohr 164 mit einem darin eingeschlossenen Stapel von Spaltstofftabletten 166, die durch eine an einem Ende angeordnete Druckfeder 170 fest gestapelt zusammengehalten werden. Ein durch diese Druckfeder 170 freigehaltener gewünschter Innenraum bildet ein Spaltgasplenum 168. Zur Federkraftübertragung ist zwischen der Druckfeder 170 und dem Stapel Spaltstofftabletten 166 eine Zirkonoxid-Tablette 172 oder dgl. angeordnet. Für den Fall eines Versagens der Druckfeder 170 kann in das Mantelrohr 164 eine das Verschieben der Spaltstofftabletten in das Spaltgasplenum 168 verhindernde Vertiefung oder Einschnürung 171 eingeformt sein. Gemäss Fig. 1 und folgender Erläuterung liegen jeweils abwechselnd Brennstäbe 102 mit am unteren Ende des Spaltstoffpakets liegendem Spaltgasplenum 168 zwischen Brennstäben mit am oberen Ende des Spaltstoffpakets liegendem Spaltgasplenum. Durch diese erfindungsgemässe Anordnung werden die Leistungsvertielung in der Spaltstoffanordnung verbessert und die Energiekosten reduziert.

Die Lochplatte 162 ist durch an ihrer Unterseite mittels Schrauben oder Nieten 178 befestigte Blattfedern 174 auf eine Schulter 176 am Innenumfang der Basis 112 abgestützt und besitzt eine in ein Oberteil 182 der Basis 112 passende hülsenför-mige Seitenwand 180, die oben mit einem Aussenflansch 184 abschliesst, welcher eine durch den Aussenumfang des Oberteils 182 der Basis 112 gebildete Schulter 186 normalerweise unter Einhaltung eines Abstands 188 überdeckt.

Wie zuvor erwähnt sind die obere und untere Verbindungsplatte 104, 106 identisch. Aus der Darstellung in Fig. 2 ist ersichtlich, dass jede der Verbindungsplatten auf jeder Seite einen Fuss 190 mit vorzugsweise einer eingeformten Öffnung 192 zum Ausheben eines Spaltstoffpakets, vorzugsweise einer schrägen Schulter 194, einer Stufe 198 und einer seitlich vorstehenden Fläche 200 besitzt. Bei der im Einbauzustand unteren Verbin-dungsplatte wie 106 in Fig. 1 ruhen die schrägen Schultern 194 ihrer Füsse 190 auf komplementär geneigten Flächen 196 auf der Innenseite des Oberteils 182 der Basis 112, und die betreffenden Stufen 198 dienen als obere Anschläge für den Aussenflansch 184 der Seitenwand 180 der Lochplatte 162. Die seitlichen Flächen 200 der Füsse sind dabei abgestützt an den benachbarten Seitenwänden des Durchflusskanals 110.

Aus der Beschreibung ist ersichtlich, dass die umhüllenden und tragenden Elemente der Spaltstoffanordnung 100 wie der Durchflusskanal 110, die Basis 112 und die Lochplatte 162 eine relativ dauerhafte äussere Umhüllung oder «Büchse» für das im wesentlichen die Brennstäbe 102, oberen und unteren Verbindungsplatten 104 und 106 und die Abstandhaltegitter 108 umfassende Spaltstoffpaket 202 bilden. Dank der komplementären geometrischen Formgebung der Basis 112 und Lochplatte 162 einerseits und der Verbindungsplatten-Füsse 190 andererseits sowie der identischen Formgebung der beiden Verbindungsplatten 104 und 106 kann das Spaltstoffpaket 202 mit jedem seiner beiden Enden zuerst in die «Büchse» eingeführt werden. Zum Absenken und Ausheben des Spaltstoffpakets in bzw. aus der «Büchse» kann ein in die Spaltstoffpaket-Aushebeöffnungen 192 einführbares Werkzeug (nicht dargestellt) verwendet werden. Die gesamte Spaltstoffanordnung 100 kann mit Hilfe eines nicht dargestellten Handhabungsgerätes, welches dann in die Aushebeschlitze 144 eingreift, manipuliert werden.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Kernspaltstoffanordnung mit einem rohrartigen Durchflusskanal, der zusammen mit einer an einem Ende desselben befestigten unteren Düsenanordnung eine äussere Umhüllung bildet, und einem in die Umhüllung einführbaren Spaltstoffpaket, dadurch gekennzeichnet, dass

— das Spaltstoffpaket (202) eine Anzahl länglicher Brennstäbe (102, 136) und ein Paar Verbindungsplatten (104, 106) umfasst, welche so mit entgegengesetzten Endabschnitten (126) der Brennstäbe zusammenwirken, dass die Brennstäbe in seitlichen Abständen voneinander unter Einhaltung einer vorgegebenen regelmässigen Anordnung gehalten werden, und dass

— die Verbindungsplatten (104, 106) im wesentlichen identisch gestaltet und mit entsprechend ausgebildeten Einrichtungen (190) zum mechanischen Zusammenwirken des Spaltstoffpakets mit der Umhüllung ausgestaltet sind, die es ermöglichen, das Spaltstoffpaket in jeweils einer von zwei entgegengesetzt orientierten Axiallagen in die Umhüllung (110, 112) einzuführen.

2. Spaltstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

— jeder Brennstab ein Mantelrohr (164) aufweist, das Kernspaltstoff (166) sowie an einem seiner beiden Enden in der Nähe einer der Verbindungsplatten ein inneres Spaltgasplenum (168) enthält, und dass

— die Brennstäbe (102, 136) so angeordnet sind, dass sich jeweils die Spaltgasplena einer ersten Anzahl der Brennstäbe nahe der einen Verbindungsplatte (104) und die Spaltgasplena einer zweiten Anzahl Brennstäbe nahe der anderen Verbin-dungsplatte (106) befinden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Spaltstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstäbe so gehalten sind, dass sich jeweils abwechselnd Brennstäbe mit der einen Verbindungsplatte (104) benachbartem Spaltgasplenum (168) zwischen Brennstäben mit der anderen Verbindungsplatte (106) benachbartem Spaltgasplenum befinden.

4. Spaltstoffanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (164) jedes Brennstabs mit einer Einschnürung (171) versehen ist, die das Eindringen von Kernspaltstoff in das Spaltgasplenum (168) des Brennstabs verhindert.

5. Spaltstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum mechanischen Zusammenwirken des Spaltstoffpakets mit der Umhüllung durch an jeder Verbindungsplattte vorhandene Füs-se (190) gebildet werden, die Oberflächenabschnitte (194) aufweisen, welche in Zusammenwirkung mit an die untere Düsenanordnung (112) angeformten Oberflächen (196) das Spaltstoffpaket unterstützen.

6. Spaltstoffanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füsse (190) jeder Verbindungsplatte seitliche Flächen (200) zur seitlichen Abstützung des Spaltstoffpakets an Innenwandabschnitten des Durchflusskanals aufweisen.

7. Spaltstoffanordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet, durch in die Füsse (190) der Verbindungsplatten eingeformte Öffnungen (192) zum Ansetzen eines Hebewerkzeugs.

8. Spaltstoffanordnung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der unteren Düsenanordnung (112) aufgenommene Lochplatte (162) durch für das Erfassen von Abschnitten (184) der Lochplatte eingerichtete Stufen (198) an den Füssen (190) jeder Verbindungsplatte innerhalb der Düsenanordnung in Position gehalten und gegen hydraulische Verlagerung gesichert ist.

9. Spaltstoffanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aushebeeinrichtung (144) an dem Durchflusskanal (110) zum Ansetzen eines Gerätes zum Heben der Spaltstoffanordnung.

10. Spaltstoffanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch an den beiden Enden jedes Brennstabs angeordnete Endsteckteile (126) mit entgegengesetzt vorstehenden Verlängerungszapfen (132), die mit einer Schiebe-sitzpassung in entsprechend zahlreich in die Verbindungsplatten (104, 106) eingeformte Öffnungen (130) eingeführt sind.