-
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Brennelement für
einen Siedewasserreaktor.
-
Ein Brennelement für einen
Siedewasserreaktor enthält
eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Brennstäben, die
in einer Mehrzahl von in Axialrichtung des Brennelements beabstandeten
Abstandhaltern gelagert sind. Wesentliche Funktionen dieser Abstandhalter
ist es, die Brennstäbe
in ihrer vorbestimmten Position innerhalb des Brennelements radial
zu fixieren. Die Anzahl der verwendeten Abstandhalter, ihre Anordnung über die
gesamte Länge
des Brennelements sowie ihre konstruktive Gestaltung sind derart
auszulegen, dass das Brennelement einen möglichst großen Abstand zur Siedeübergangsleistung
hat. Dabei ist die Siedeübergangsleistung
die Leistung, bei der der auf den Brennstab befindliche Wasserfilm
verdampft, was zu einer deutlich schlechteren Wärmeübertragung führt (dry
out). Wird die Siedeübergangsleistung überschritten,
so bildet sich an der Oberfläche
der Brennstäbe
ein Dampffilm oder eine Dampfschicht, die einen Wärmeübergangswiderstand
darstellen. Da die im Brennstab erzeugte Wärmemenge dann vorübergehend
nicht mehr vollständig
abgeführt
wird, steigt die Temperatur des Brennstabes an bis sich ein neues thermisches
Gleichgewicht einstellt. Dies kann zu einer Überhitzung des Brennstabes
führen
und damit auch zu einer thermischen Überlastung des Brennstabhüllrohrs,
das den Brennstoff umgibt. Eine derartige Überhitzung muss unbedingt vermieden werden, weil
sie eine Lebensdauerverkürzung
des Brennstabs und damit des Brennelements zur Folge hätte.
-
Zur Verbesserung des dry-Out-Verhaltens
ist es aus der
US 5,229,068
A bekannt, im Brennelement Ablenkelemente, beispielsweise
an den Abstandhaltern angeordnete Drallfahnen anzuordnen, die dem
gegenüber
dem Dampf trägeren
Wasser eine horizontale Geschwindigkeitskomponente verleihen, so
dass im 2-Phasen-Bereich eine bessere Benetzung der Brennstäbe mit Wasser
erreicht wird. Durch diese Maßnahme
kann die Siedeübergangsleistung
erhöht
werden.
-
Werden solche Ablenkelemente im oberen Bereich
des Brennelements angeordnet, so bewirkt der mit diesen Ablenkelementen
einhergehende größere Strömungswiderstand
eine Erhöhung
des Druckverlustes im oberen Bereich des Brennelements. Auch dies
ist jedoch unerwünscht,
da mit einer solchen Erhöhung
die Neigung zur thermohydraulischen Instabilitäten vergrößert wird.
-
Um den Druckverlust im oberen Bereich
des Brennelements zu verringern, ist es aus der US-Patentschrift
5,112,570 bekannt, einige der Brennstäbe eines Brennelements kürzer als
die übrigen
auszubilden, so dass im oberen Bereich Leerpositionen im Brennstabgitter
entstehen. Durch diese Maßnahme wird
zwar der Druckabfall im Zweiphasen-Bereich und damit die Neigung
zu thermohydraulischen Instabilitäten verringert, das auf diese
Weise verbesserte thermohydraulische Verhalten geht jedoch mit einer
Leistungseinbuße
des Brennelements einher.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, ein Brennelement für
einen Siedewasserreaktor anzugeben, das bei hoher mechani scher Stabilität sowohl
gutes Dry-out-Verhalten als auch gute thermohydraulische Eigenschaften
aufweist.
-
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Brennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Ein solches Brennelement enthält
eine Mehrzahl von Brennstäben,
die in einer Mehrzahl von in Axialrichtung des Brennelements beabstandeten
Abstandhaltern gelagert sind, die jeweils in einem quadratischen
Gitter in Reihen und Spalten angeordnete Maschen mit im wesentlichen
parallel zur Axialrichtung verlaufenden glatten Wänden aufweisen,
durch die jeweils ein Brennstab hindurchgeführt ist, wobei an jeder innenliegenden Ecke
einer Masche zwischen den an dieser Ecke aneinander grenzenden Maschen
jeweils ein sich in Axialrichtung erstreckender, von den Wänden der Maschen
seitlich umschlossener Strömungsunterkanal
gebildet ist.
-
Da sich die Wände im wesentlichen in Axialrichtung
erstrecken, d.h. parallel zur Strömungsrichtung angeordnet und
glatt sind, d. h. keine in die Strömung hineinragenden Strukturteile
aufweisen und im wesentlichen nur mit ihrer Wanddicke in der Kühlmittelströmung stehen,
wird der Strömungswiderstand und
der Druckverlust am Abstandhalter verringert. Dadurch kann die Anzahl
der Abstandhalter je Brennelement und damit dessen mechanische Stabilität gegenüber bekannten
Brennelementen erhöht
werden. Durch die Ausbildung eines glattwandigen und einbautenfreien
Strömungsunterkanals
in der Mitte zwischen vier benachbart in einem Quadrat angeordneten
Brennstäben
kann sich in diesem eine ungestörte
Strömung
von hoher Geschwindigkeit, ein Jet oder Strahl, ausbilden. Das Geschwindigkeitsprofil über dem
Querschnitt dieses aus einem Dampf-Wasser-Gemisch gebildeten Jets
bewirkt eine Entmischung der beiden Phasen derart, dass im Bereich hoher
Geschwindigkeit, d. h. in der Mitte des Strömungsunterkanals, Dampf und
im Außenbereich Wasser
und Dampf vorhanden sind, und dass Wassertröpfchen eine radiale Geschwindigkeitskomponente
aufgeprägt
bekommen, so dass diese an die Oberfläche der Brennstäbe befördert werden.
Es wird also anders als bei bekannten Drallfahnen keine tangential
mit erheblichen Druckverlust einhergehende Geschwindigkeitskomponente
sondern eine radiale Geschwindigkeitskomponente erzeugt. Bildlich gesprochen,
fächert
sich der aus dem Strömungsunterkanal
ausströmende
Jet radial zur Strömungsrichtung
auf und führt
zu einer verbesserten Benetzung der diesem Strömungskanal benachbarten Brennstäbe.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung weist jede Masche senkrecht zur Axialrichtung einen
im wesentlichen quadratischen Querschnitt mit an seinen Ecken jeweils
ins Innere der Masche ragende Ausformungen auf, wobei jede Ausformung
gemeinsam mit den ihr benachbarten Ausformungen der angrenzenden
Maschen den Strömungsunterkanal
bildet. Durch diese Maßnahme wird
bei unveränderter
Maschenweite des Gitters ein Strömungsunterkanal
mit besonders großem
freien Querschnitt gebildet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Ausformung zugleich linienförmiges Radiallager
für den
Brennstab. Durch den Wegfall zusätzlicher
Federelemente oder Lagernoppen wird der Strömungswiderstand des Abstandhalters
weiter verringert. Entsprechend dem geringeren Strömungswiderstand
können
demzufolge auch mehr Abstandhalter über die gesamte Länge des Brennelements
eingebaut werden. Darüber
hinaus ist durch den Wegfall der Drallfahnen sowie den Wegfall zu sätzlicher
Lagerelemente ein deutliche Verringerung der Herstellungskosten
möglich.
-
Insbesondere weist die Ausformung
ein viertelkreisförmigen
Querschnitt auf, deren Mittelpunkt mit der Ecke der Masche zusammenfällt. Dies
ermöglicht
einen besonders großen
lichten Querschnitt der Strömungsunterkanäle bei zugleich
stabiler Lagerung der Brennstäbe.
-
Vorzugsweise bestehen die Maschen
aus jeweils einem Hohlprofil und sind an den zwischen den Ausformungen
jeweils gebildeten ebenen Wand mit der an dieser anliegenden ebenen
Wand der benachbarten Masche verschweißt. Diese ermöglichst
eine besonders fertigungstechnische Herstellung des Abstandhalters.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die stromabwärtsliegende
Austrittskante des Strömungskanals
zumindest in einem die Maschendiagonale umgebenden Bereich in diesen
hinein abgeschrägt. Diese
Maßnahme
dient ausschließlich
zum Erleichtern des Einführens
des Brennstabs von oben. Mit anderen Worten:
Die Abschrägung erfolgt
derart moderat und räumlich begrenzt,
dass diese die strömungstechnischen
Eigenschaften des Abstandhalters praktisch nicht oder allenfalls
in einem vernachlässigbaren
Ausmaß beeinflusst.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist der Abstandhalter aus einem ersten und einem zweiten
Teilgitter gebildet, die zueinander in Richtung der Gitterdiagonale
derart versetzt angeordnet sind, dass jede Masche aus zwei ersten
Gitterwänden
des ersten Teilgitters und zwei zweiten Gitterwänden des zweiten Teilgitters
zusammengesetzt ist. Durch diese Maßnahme ist im Mittelpunkt einer
aus vier quadra tisch angeordneten Brennstäben bestehenden Elementarzelle
ein quadratischer Strömungsunterkanal
gebildet. Durch die versetzte Anordnung des ersten und zweiten Teilgitters,
die vorzugsweise jeweils aus ebenen Stegen aufgebaut sind, befindet
sich um jeden Brennstab herum vier von den Stegen der Teilgitter
jeweils gebildete, allseitig umschlossene, im Querschnitt rechteckförmige Nebenkanäle, die
einen ähnlichen
Effekt hervorrufen, wie der Strömungsunterkanal
im Mittelpunkt einer Elementarzelle.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform
sind wenigstens 10 Abstandhalter vorgesehen. Durch diese Maßnahme können bei
zugleich niedrigem Druckverlust und hoher Siedeübergangsleistung eine Vielzahl
von Abstandhaltern gleichmäßig über die
gesamte Länge
des Brennelements verteilt werden, so dass dessen mechanische Stabilität insbesondere
im Zweiphasen-Bereich verbessert ist.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf
die Ausführungsbeispiele
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
-
1 und 2: ein Brennelement gemäß der Erfindung
in einer perspektivischen Teilansicht bzw. in einer Draufsicht auf
einen einen Abstandhalter enthaltenden Bereich jeweils in einer
schematischen Darstellung,
-
3:
einen Längsschnitt
durch den Abstandhalter gemäß 2 entlang der Linie A-A,
-
4:
eines Brennelements in einer schematischen Draufsicht auf einen
Abstandhalter.
-
Gemäß 1 und 2 enthält ein Brennelement
eines Siedewasserreaktors eine Mehrzahl von Brennstäben 2,
die in einer Mehrzahl von in Axialrichtung 4 beabstandet
zueinander angeordneten Abstandhaltern 6 gelagert sind.
Die Abstandhalter 6 weisen eine Anzahl der Brennstäbe 2 entsprechende Anzahl
von Maschen 8 auf, die in einem quadratischen Gitter in
Reihen 10 und Spalten 12 angeordnet sind. Jede
Masche 8 ist aus einen gegenüber einer Drehung um die Mittenachse
um 90° symmetrischen, im
wesentlichen quadratischen Hohlprofil 14 aufgebaut, das
an seinen Ecken jeweils in das Innere des Hohlprofils, d. h. in
das Innere der Masche 8 weisende Ausformungen 16 aufweist,
die im Ausführungsbeispiel
einen Viertelkreis bilden, dessen Radius mit dem Eckpunkt einer
quadratischen Masche, d. h. einem Kreuzungspunkt des Gitters, zusammenfällt. Auf
diese Weise wird in der Mitte einer jeden aus vier benachbarten
Brennstäben 2 gebildeten
Elementarzelle 18 ein hohler kreiszylindrischer, von den
Wänden
der Maschen 8 allseitig umschlossener Strömungsunterkanal 20 gebildet.
An den außen
liegenden Eckpunkten der Maschen 8 werden durch die Ausformungen 16 gemeinsam
mit dem in der Figur nicht dargestellten. Wasserkasten des Brennelements
entweder halbzylindrische oder viertelzylindrische Strömungsunterkanäle 22a bzw.
b gebildet.
-
Die Wände 24 des Hohlprofils 14 und
damit der Maschen 8 verlaufen parallel zur Axialrichtung 4 und
sind glatt, d. h. weisen keine strömungstechnisch relevanten Ausformungen
oder Strukturteile senkrecht zur Axialrichtung 4 auf, so
dass sie im wesentlichen nur mit ihrer Wanddicke in der Strömung des Kühlfluids
liegen, wie dies in der Draufsicht gemäß 2 deutlich zu erkennen ist. Insbesondere
ragen keine Feder, Noppen und Drallfahnen oder andere strömungsbeeinflussende
Ele mente in den Kühlmittelstrom
hinein. In 2 ist auch
zu erkennen, dass sich in jeder Elementarzelle ein Strömungsunterkanal
mit relativ großen
Querschnitt befindet, der von den Wänden 24 der Maschen 8 allseitig
umschlossen und ebenso glattwandig und einbautenfrei ist, so dass
das Kühlmittel
in ihm ungehindert mit hoher Geschwindigkeit strömen kann.
-
Die Ausformungen 16 bilden
zugleich eine sich in Axialrichtung 4 linienförmig erstreckende
Radiallagerung der Brennstäbe 2,
so dass zusätzliche Federelemente
oder Vorsprünge
entfallen und dass der gesamte Abstandhalter im wesentlichen nur
mit der Wanddicke seiner Maschenwände 24 in der Kühlmittelströmung steht.
-
Die Hohlprofile 14 sind
an ihren Flachseiten, d.h. mit den zwischen den Ausformungen 16 gebildeten
ebenen Wandteilen 25 mit den jeweils benachbarten Hohlprofilen 14 verschweißt, so dass
dort – wie
es in der Fig. durch die Strichdicke angedeutet ist – der Gittersteg
eine doppelt so große
Wanddicke aufweist.
-
In der Ausgestaltung gemäß 3 ist zu erkennen, dass
die den Strömungskanal
bildende Wand 24 im Bereich der Maschendiagonale an seiner
stromabwärtsliegenden
Austrittskante mit einer ins Innere der Strömungskanäle 20, 22a,b weisenden
Einbiegung oder Anschrägung 26 versehen
sind, um ein Einführen
der Brennstäbe 2 von
oben zu erleichtern. Eine solche Anschrägung kann grundsätzlich auch
auf der Unterseite vorgesehen sein, um eine Beschädigung des
Hüllrohres
beim Herausziehen der Brennstäbe 2 zu
vermeiden. Um den Strömungswiderstand
nicht unnötig
zu erhöhen,
ist die Anschrägung 26 auf
den Bereich in der Umgebung der Diagonale beschränkt, da nur in diesem Bereich ein Verkanten
des Brennstabs 2 auftreten kann. Die durch diese Anschrägung bewirkte
die Zunahme der Projektionsfläche
des Abstandhalters auf eine Ebene senkrecht zum Kühlmittelstrom,
d. h. die von ihm in einer axialen Draufsicht abgedeckte Fläche, beträgt dabei
vorzugsweise weniger als 5 % der Projektionsfläche, die sich allein aus dem
Produkt aus Wanddicke und Gesamtlänge der im Abstandhalter verwendeten
Wandelemente oder -stege ergibt, um den mit einer solchen Anschrägung 26 einhergehenden Druckverlust
weitgehend zu reduzieren.
-
In der Figur ist außerdem die
linienförmige Axiallagerung
der Brennstäbe 2 am
Außenumfang des
Strömungsunterkanäle 20, 22a,b zu
erkennen.
-
Im Ausführungsbeispiel gem. 4 ist ein Abstandhalter 60 vorgesehen,
der aus einem ersten Teilgitter 60a und einem zweiten baugleichen
Teilgitter 60b zusammengesetzt ist, die gegeneinander in Richtung
der Diagonale einer Elementarzelle um einen Abstand a versetzt sind.
Jede Masche 8 wird somit aus zwei ersten Gitterwänden des
ersten Teilgitters 60a und zwei zweiten Gitterwänden des
zweiten Teilgitters 60b gebildet, wie dies in der Figur
anhand einer durch Schraffur hervorgehobenen Masche 8 veranschaulicht
ist.
-
Eine den Brennstab 2 umgebende
Gittermasche ist auf diese Weise aus zwei Wänden des Teilgitters 60a und
zwei Wänden
des Teilgitters 60b zusammengesetzt. Die Teilgitter 60a,b sind
jeweils aus ebenen Stegen aufgebaut, die ebenfalls keine in den Kühlmittelstrom
hineinragende Ausformungen oder Strukturteile aufweisen, so dass
auch in diesem Fall der Abstandhalter im wesentlichen nur mit einer
Fläche
in der Kühlmittelströmung steht,
die sich aus dem Produkt aus der Wanddicke der Stege ihrer Gesamtzahl
und ihrer Länge
ergibt.
-
Im Mittelpunkt jeder Elementarzelle 18 wird durch
die versetzten Teilgitter 60a,b ein Strömungsunterkanal 200 mit
quadratischer Querschnittsfläche gebildet,
durch den das Kühlmittel
ungehindert hindurchströmen
kann. Darüber
hinaus sind die innenliegenden Brennstäbe 2 von 4 im
Querschnitt rechteckigen Nebenkanälen 202 umgeben, die
ebenfalls einen ungehinderten und schnellen Kühlmitteldurchfluss ermöglichen.