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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Siedewasserreaktoren und
insbesondere eine Vorrichtung und ein Konstruktionsverfahren für Brennstabbündel von
Siedewasserreaktoren.
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VERWANDTE
TECHNIK
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Brennstabbündel für Siedewasserreaktoren
enthalten gewöhnlich
jeweils eine Anzahl von vertikal geschichteten Brennstäben. Herkömmliche
Brennstabbündel
oder Brennstabanordnungen verfügen über eine quadratisch
oder rechteckig gestaltete Umfangswand, die als Kanal bezeichnet
wird, in dessen Inneren die Brennstäbe positioniert werden. Durch
den Siedewasserreaktor strömendes
Reaktorkühlmittel
tritt am unteren Ende des Kanals ein und gelangt vertikal aufwärts und
in Längsrichtung
an den Brennstäben
vorbei, an denen es erwärmt
wird und Dampf bildet. Der Dampf strömt aus oberen Öffnungen
des Brennstabbündels
aus. Siedewasserreaktoren können
einige Hundert Brennstabbündel
enthalten. Innerhalb einer Brennstabanordnung sind ferner gewöhnlich ein
oder mehrere Wasserkanäle
vorgesehen, um eine Wasserquelle zu haben, um eine ausrei chende
Menge von Neutronen abzubremsen, um Kritikalität zu initiieren und aufrecht
erhalten.
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Das
höchstmögliche Betriebsleistungsvermögen wird
für einen
Siedewasserreaktor erlangt, falls sämtliche Brennstäbe die volle
Länge aufweisen.
Der Nachteil eines Verwendens eines Anteils von 100 % von volle Länge aufweisenden
Brennstäben
ist darin zu sehen, dass die Reaktorabschaltspanne nicht optimiert
ist. Nach einem Herunterfahren eines Reaktors kommt die Kernspaltung
nicht unmittelbar zum Stillstand. Die Neutronenfreisetzung setzt
sich fort, und es ist erforderlich, ausreichend viele Neutronen
abzufangen, um eine unbeabsichtigte Kritikalität zu verhindern. Die Abschaltspanne
steht daher in Zusammenhang mit einem Prozentsatz eingefangener
gegenüber
abgespaltener Neutronen, der ausreicht, um Kritikalität zu verhindern.
Die Abschaltspanne wird gewöhnlich
verbessert, indem in jedem Brennstabbündel mehrere eine Teillänge aufweisende
Brennstäbe
verteilt werden. Ein oberhalb jedes Teillängenbrennstabs vorhandenes
unbesetztes Volumen stellt Raum für ein zusätzliches Wasservolumen zur
Verfügung,
wenn der Reaktor heruntergefahren wird. Diese zusätzlichen
Wasservolumina fangen Neutronen ab, um eine größere Abschaltspanne für den Reaktor
zu ermöglichen.
Im Falle herkömmlicher
Siedewasserreaktorbrennstabbündel
sind die Teillängenbrennstäbe gleichmäßig um die
Fluidströmungskanäle, jedoch
innerhalb eines äußeren Rings
von Brennstäben
voller Länge
verteilt.
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Die
bekannten Konfigurationen von Teillängenbrennstäben in einem Brennstabbündel erzielen
nicht die optimale kriti sche Leistung und/oder optimale Abschaltspanne
für den
Reaktor.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Siedewasserreaktor wenigstens ein Brennstabbündel mit einer Umfangswand
und gegenüberliegenden Öffnungen.
Mindestens ein Fluidkanal ist innerhalb der Umfangswand angeordnet
und erstreckt sich zwischen den gegenüberliegenden Öffnungen.
Mehrere Brennstäbe
sind außerhalb
des Fluidkanals innerhalb der Umfangswand angeordnet. Die Brennstäbe beinhalten
sowohl Stäbe
voller Länge
als auch Teillängenbrennstäbe. Die
Teillängenbrennstäbe sind
in zwei Brennstabgruppen verteilt. Eine erste Brennstabgruppe enthält Teillängenbrennstäbe, die
sämtliche
benachbart zu dem Fluidkanal verteilt angeordnet sind. Eine zweite
Brennstabgruppe enthält
Teillängenbrennstäbe, die
sämtliche
innerhalb der Umfangswand und unmittelbar zu dieser benachbart verteilt
angeordnet sind. Die erste und zweite Gruppe enthält jeweils
wenigstens ein Paar benachbarte Teillängenbrennstäbe.
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Die
um den Umfang des Brennstabbündels
verteilten Brennstäbe
voller Länge
erzeugen eine brennstoffreiche Zone. Indem die Teillängenbrennstäbe in Gruppen
verteilt werden und eine der Brennstabgruppen unmittelbar benachbart
zu der Umfangswand des Brennstabbündels angeordnet wird, stehen
sowohl benachbart zu den Brennstäben
voller Länge
als auch außerhalb
von diesen örtlich
größere Wasservolumina
zur Verfügung.
Die Teillängenbrennstäbe aufweisende
Gruppe, die unmittelbar benachbart zu dem Umfang angeordnet ist,
ist ferner in Untergruppen verteilt, die jeweils einen einzelnen
oder beispielsweise paarige Teillängenbrennstäbe aufweisen. Nach einem Herunterfahren
des Reaktors akkumuliert das durch den Reaktor strömende Wasser
oberhalb der gruppierten Teillängenbrennstäbe, um Wasserabscheider
zu bilden. Die Wasserabscheider, die oberhalb der die paarige Teillängenbrennstäbe enthaltenden
Untergruppen gebildet sind fangen aufgrund eines größeren örtlichen
Wasservolumens an der brennstoffreichen Zone der Brennstäbe voller
Länge und
einer geringfügigen
Verminderung der Gesamtmenge an Brennstoff unmittelbar benachbart
zu der Umfangswand Neutronen in größeren Mengen ab. Es ist daher
eine Abschaltspanne in einem Brennstabbündel ermöglicht, die die Teillängenbrennstäbe besser
nutzt.
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Weitere
Einsatzfelder der vorliegenden Erfindung erschließen sich
nach dem Lesen der anschließenden
detaillierten Beschreibung. Es ist selbstverständlich, dass die detaillierte
Beschreibung und spezielle Beispiele sich zwar auf das exemplarische
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beziehen, allerdings lediglich der Veranschaulichung
dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht begrenzen sollen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verständlicher:
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Brennstabbündels für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
in einer entlang der Schnittlinie 2-2 nach 1 geschnittenen
Ansicht eine exemplarische Anordnung von Brennstäben kurzer Länge, die
in zwei Brennstabgruppen angeordnet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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3 zeigt
in einer geschnittenen Ansicht ähnlich
derjenigen nach 2 ein abgewandeltes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
das einen einzelnen Wasserkanal anstelle zweier Wasserkanäle, und eine
alternative Anordnung einer externen oder Umfangsbrennstabgruppe
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
folgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels
(bzw. der Ausführungsbeispiele)
ist lediglich exemplarischer Natur und soll auf keinen Fall die
Erfindung, deren Anwendungsbereich oder Gebrauch beschränken.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Brennstabbündel 10 der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstabbündel 10 weist einen
Kanal 12 auf, der eine Anzahl Brennstäbe 14 umhüllt. Jeder
der Brennstäbe 14 enthält eine
Anzahl von Brennstoffpellets 16. Die Brennstäbe 14 lassen
sich in eine Gruppe von Brennstäben 18 voller
Länge und
eine Gruppe von Teillängenbrennstäben 20 unterteilen.
Jeder Brennstab 14 weist ein durch einen unteren Brennstabträger 22 getragenes
Trägerende 21 auf.
Ein intermediärer
Brennstabträger 24 ist
dazu vorgesehen, um den ungefähren
Mittelabschnitt jedes der Brennstäbe 18 voller Länge und
ein distales Ende jedes der Teillängenbrennstäbe 20 zu tragen. Es
ist ein oberer Brennstabträger 26 dazu
vorgesehen, um ein oberes Ende jedes der Brennstäbe 18 voller Länge zu tragen.
Nach Bedarf können
zusätzliche
(nicht gezeigte) Brennstabträger
verwendet werden, um die Brennstäbe 14 zu
tragen.
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Ein
Brennstabbündelzufuhrende 27 weist
eine zu dem unteren Brennstabträger 22 benachbarte
Einlassöffnung 28 auf,
um ein Einbringen von Wasser in das Brennstabbündel 10 zu ermöglichen.
Das Wasser strömt
durch das Brennstabbündel 10 aufwärts, wo
es erwärmt
wird, um Dampf zu bilden. Der Dampf strömt aus einer Anzahl von Auslassöffnungen 30,
die an einem Auslassende 31 des Brennstabbündels 10 angeordnet
sind. Ein Hebeelement 32 stellt für das Brennstabbündel 10 ein
mechanisches Hebemittel zur Verfügung, um
das Brennstabbündel 10 in
einen mehrere Brennstabbündel 10 aufweisenden
Siedewasserreaktor zu installieren bzw. aus diesem zu entfernen.
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Wie
am besten in 2 zu sehen, weist das Brennstabbündel 10 ferner
eine innere Umfangswand 34 des Kanals 12 auf,
in dem die Brennstäbe 14 und
ein oder mehrere Wasserkanäle 36 angeordnet
sind. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
sind zwei Wasserkanäle 36 vorgesehen,
die jeweils benachbart zu einer longitudinalen Mittellinie 37 des Brennstabbündels 10 angeordnet
sind. Die Brennstäbe 14 sind
innerhalb eines im Wesentlichen quadratisch oder rechteckig ausgebildeten
Brennstabbündel 10 in
einer 10 × 10-Zeilen-und-Spalten-Konfiguration
angeordnet, die zehn Zeilen 43 und zehn Spalten 45 aufweist.
Jeder Brennstab 14 befindet sich benachbart zu mindestens
einem weiteren Brennstab 14 entweder in einer "Stirnfläche-zu-Stirnfläche" gepaarten Anordnung
oder einer "Stirnfläche-Diagonale" gepaarten Anordnung
angeordnet. Die Stirnfläche-zu-Stirnfläche gepaarte
Anordnung 49 ergibt sich zwischen zwei benachbarten Brennstäben, die
entlang einer gemeinsamen Mittellinie 47 (wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit
lediglich eine einzige exemplarische Mittellinie 47 gezeigt
ist) koaxial ausgerichtet sind, die durch entweder eine der Zeilen 43 oder
eine der Spalten 45 von Brennstäben 14 verläuft. Die
Stirnfläche-Diagonale-Anordnung
ergibt sich zwischen zwei benachbarten Brennstäben, die entlang keiner der
durch die Zeilen 43 oder die Spalten 45 der Brennstäbe 14 verlaufenden
gemeinsamen Mittellinien 47 koaxial fluchtend ausgerichtet
sind.
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Die
Teillängenbrennstäbe 20 sind
in zwei Gruppen angeordnet. Eine erste Brennstabgruppe 38 ist
zu den Wasserkanälen 36 benachbart
angeordnet. Die erste Brennstabgruppe 38 weist zwei Untergruppen
von Teillängenbrennstäben 20 auf,
die auf gegenüberliegenden
Seiten der Wasserkanäle 36 angeordnet
sind. Jede Untergruppe weist drei Teillängenbrennstäbe 20 auf, die zwei
Paare benachbarter Teillängenbrennstäbe 20 bilden.
Eine zweite Brennstabgruppe 40 ist unmittelbar benachbart
zu der inneren Umfangswand 34 angeordnet und ist, wie beispielsweise
in 2 gezeigt, in benachbarte Untergrup penpaare 41 von
Teillängenbrennstäben 20 verteilt.
Jedes Untergruppenpaar 41 von Teillängenbrennstäben 20, das die zweite
Brennstabgruppe 40 bildet, ist etwa auf halben Weg entlang
jedes geraden Abschnitts der inneren Umfangswand 34 verteilt.
Jeder der Teillängenbrennstäbe 20,
die die zweite Brennstabgruppe 40 bilden, sind gegenüber jedem
benachbarten Teillängenbrennstab 20 in
der Stirnfläche-zu-Stirnfläche-Anordnung
positioniert.
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In
dem (nicht gezeigten) Reaktorbehälter
sind mehrere Brennstabbündel 10 installiert,
um einen Siedewasserreaktor zu bilden. Wenn der Siedewasserreaktor
sich in einer Betriebsbedingung eines Herunterfahrens oder einem
nicht kritischen Zustand befindet, strömt Wasser (beispielsweise über extern
vorgesehene Pumpen) kontinuierlich durch jedes Brennstabbündel 10,
um ausreichende Kühlung
für den
Reaktor aufrecht zu erhalten. Während
dieser Bedingung, füllt
sich jeder der Wasserkanäle 36 mit
einem Wasservolumen 42. Ein oberhalb jedes Teillängenbrennstabs 20 vorhandener
Hohlraum füllt
sich ebenfalls mit Wasser. Diese Hohlräume wirken als Wasserabscheider 44 (siehe 1),
die in Zusammenwirken mit dem Wasservolumen 42 Neutronen
abfangen, die weiter freigesetzt werden. Durch ein Abfangen von
Neutronen wird eine Abschaltspanne ermöglicht, die dazu dient, zu
verhindern, dass der Reaktor zu diesem unerwünschten Zeitpunkt Kritikalität erreicht.
Wie am besten in 2 zu sehen, verteilen die in
die erste Brennstabgruppe 38 und in die zweite Brennstabgruppe 40 gruppierte
Anzahl von Teillängenbrennstäben angehäufte Gruppen
von Teillängenbrennstäben so,
dass oberhalb von Untergruppen der Teillängenbrennstäbe während der Bedingung des Herunterfahrens
angehäufte
Gruppen von Wasserabscheidern 44 entstehen. Der Kanal 12 weist
ferner ein dem Kanalzufuhrende 27 benachbartes Kanalanschlussende 46 auf,
das dazu dient, um den Kanal 12 mit dem Inneren eines (nicht
gezeigten) Siedewasserreaktorbehälters
zu verbinden. Während
der in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigte Wasserkanal 36 in Form eines Paars von Rohren 48 mit
kreisförmigen
Querschnitten ausgebildet ist, können
ein einzelnes oder auch mehrere kreisförmig oder anders gestaltete
Rohre 48 verwendet werden.
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Mit
Bezugnahme auf 3 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Elemente, die dem Ausführungsbeispiel
nach 2 gemein sind, einschließlich der Träger, Öffnungen, des
Hebeelements, und dergleichen, jedoch ohne auf diese beschränken zu
wollen, sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht gezeigt.
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Eine
Brennstabanordnung 100 stellt mehrere Brennstäbe 102 voller
Länge und
eine Anzahl Teillängenbrennstäbe 104 bereit.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein einzelner im Wesentlichen rechteckiger Wasserkanal 106 vorgesehen.
Wie gezeigt, ist der einzelne Wasserkanal 106 innerhalb
des Brennstabbündel 100 gegenüber der
Mitte versetzt angeordnet. Es ist zu beachten, dass der Wasserkanal 106 auch
zentrisch innerhalb des Brennstabbündels 100 angeordnet
sein kann. Im Falle des für
das Brennstabbündel 100 gezeigten abgewandelten
Ausführungsbeispiels
ist ein Kanal 108 im Wesentlichen rechteckig/quadratisch
ausgebildet. Der Kanal 108 weist eine innere Umfangswand 110 ähnlich der
in 2 gezeigten auf.
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Durch
das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine 10 × 10 Zeilen-und-Spalten-Anordnung
von Brennstäben
vorgesehen, die der in 2 gezeigten ähnelt. Die Erfindung ist nicht
auf 10 × 10-Anordnungen von
Brennstäben
beschränkt,
d.h. die gezeigt 10 × 10-Konfiguration
stellt eine exemplarische Anordnung von Brennstäben dar. Ähnlich wie in 2 ist
jeder der Teillängenbrennstäbe 104 in
eine von zwei Brennstabgruppen verteilt. Eine erste Brennstabgruppe 112 ist
benachbart zu dem Wasserkanal 106 angeordnet. Die erste Brennstabgruppe
weist zwei Untergruppen auf, die an einer Ecke des Wasserkanals 106 angeordnet
sind. Jede Untergruppe weist ein Paar benachbarte Teillängenbrennstäbe 104 auf.
Eine zweite Brennstabgruppe 114 ist als paarige Teillängenbrennstäbe 116 und
einzelne Teillängenbrennstäbe 118 verteilt.
Die zweite Brennstabgruppe 114 ist um den Umfang des Brennstabbündels 100 unmittelbar
benachbart zu der inneren Umfangswand 110 verteilt. Der
Wasserkanal 106 ist als gegenüber der longitudinalen Mittellinie 120 des
Kanals 108 versetzt gezeigt und ist als ein rechteckig
ausgebildetes Rohr 122 dargestellt.
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Ähnlich dem
oben mit Bezug auf 1-2 beschriebenen
Brennstabbündel 10,
sieht die Anordnung des Brennstabbündels 100 vor, das
die zweite Brennstabgruppe 114 die paarigen Teillängenbrennstäbe 116 und
die einzelnen Teillängenbrennstäbe 118 etwa
auf halber Höhe
der Breite jeder der Wände
des Kanals 108 verteilt. Basierend auf der 10 × 10-Brennstäbe-Konfiguration und
der gegenüber
der Mitte versetzen Anordnung des Wasserkanals 106, sind
einzelne Teillängenbrennstäbe 118 in
einer Position angeordnet, die in etwa auf halben Wege entlang der
inneren Umfangswand 110 liegt. Die Position für die erste
Brennstabgruppe 112 und für die zweite Brennstabgruppe 114 ist
exemplarisch anzusehen, insofern die Teillängenbrennstäbe 116, 118 in
Konfigurationen verteilt sein können,
die gegenüber
der in 3 gezeigten abweichen.
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Weil
die Gesamtrate der Neutronenabsorption mittels der ersten und zweiten
Teillängenbrennstabgruppe
der vorliegenden Erfindung erhöht
wird, wird eine verbesserte Abschaltspanne für einen Siedewasserreaktor
möglich.
Die verbesserte Abschaltspanne ergibt sich dadurch, dass die Abmessung
von Wasserabscheidern oberhalb der Teillängenbrennstäbe durch paariges Anordnen
oder Gruppieren der Teillängenbrennstäbe an einem äußeren Rand
des Brennstabbündels
und benachbart zu den Wasserkanälen örtlich vergrößert wird.
Selektiv beabstandet ermöglichen
größere Wasserabscheider
in Kombination mit den Wasserkanälen
eine verbesserte Abschaltspanne und eine verminderte Wahrscheinlichkeit
für ein
Entweichen von Dampf, ohne dass der Wirkungsgrad des Reaktors im
kritischen Zustand merklich reduziert wird.
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Ein
Reaktorbrennstabbündel
enthält
sowohl Brennstäbe 18 voller
Länge als
auch Teillängenbrennstäbe 20.
Die Teillängenbrennstäbe 20 werden
in zwei Gruppen angehäuft – eine erste
Brennstabgruppe 38 ist um einen oder mehrere Wasserkanäle gruppiert,
die im Wesentlichen zentrisch in einem Kanal 12 des Brennstabbündels angeordnet
sind, und eine zweite Brennstabgruppe 40 ist um eine innere
Umfangswand des Kanals verteilt.
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Die
Beschreibung ist im Wesentlichen exemplarisch zu verstehen, und
es ist daher beabsichtigt, das Abwandlungen, die nicht vom Kern
der Erfindung abweichen, in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Beispielsweise sind hier Wasserkanalgeometrien mit kreisförmigem und
rechteckigem Querschnitt dargestellt. Jedoch können auch andere Geometrien
verwendet werden, beispielsweise Wasserkanäle, die einfach durch die Eliminierung
oder Umgruppierung von Brennstäben
gebildet werden, wodurch es dem Wasser ermöglicht wird, durch Regionen
des Brennstabbündels
zu strömen,
in denen keine Brennstäbe
angeordnet sind. Die Wasserkanäle
können
daher Formen annehmen, die von der vorhandenen Geometrie des Brennstabbündels abhängen. Wasserkanäle mit rechteckigem,
ovalen, kreuzförmigen
oder sternförmigen
Querschnitt lassen sich ebenso verwenden, die entweder mit externen
Kanalwänden
oder als freie Durchflusskanäle
ausgebildet sind. Sowohl einzelne als auch paarweise angeordnete
Wasserkanäle
sind hier dargestellt, jedoch kann auch eine größere Anzahl von Wasserkanälen verwendet
werden.
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Es
ist ferner zu beachten, dass eine quadratische Brennstabanordnung
für eine
Anordnung einer 8 × 8-,
einer 9 × 9-
oder einer 10 × 10-Zeilen-und-Kanal-Konfiguration
von Brennstäben
effizient ist, dass die Erfindung jedoch nicht auf eine rechteckige/quadratische
Brennstabbündelgeometrie
beschränkt
ist. Die Erfindung kann für
eine beliebige Brennstabbündelgeometrie
verwendet werden, vorausgesetzt, die Teillängenbrennstäbe sind in Gruppen angeordnet,
bei denen wenigstens eine Gruppe unmittelbar benachbart zu einer äußeren oder
Umfangswand des Brennstabbündels
vorgesehen ist, wenigstens einen Teillängenbrennstab enthält und von
jeder Ecke des Brennstabbündels
durch wenigstens einen Brennstab voller Länge beabstandet ist. Derartige
Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Gegenstand der Erfindung
zu bewerten.
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