DE10358829B3

DE10358829B3 - Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor

Info

Publication number: DE10358829B3
Application number: DE10358829A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Stabel; Mingmin Dr. Ren; Ingo Dr. Ganzmann
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: WO2005059923A2; WO2005059923A3

Abstract

Bei einem Brennelement (2) für einen Druckwasserkernreaktor, mit einem Brennelementfuß (12) und einer an diesem gelagerten Tragstruktur für eine Vielzahl von Brennstäben (4), zwischen denen in Axialrichtung (3) Kühlwasser (K) strömt, und bei dem das Kühlwasser (K) mit einer inhomogenen Verteilung der Axialgeschwindigkeit in den Brennelementfuß (12) einströmt, ist eine im Bereich des Brennelementfußes (12) angeordnete strömungsführende Struktur zur Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit des zwischen die Brennstäbe (4) eintretenden Kühlwassers (K) vorgesehen. Dadurch wird die Gefahr eines Auftretens von strömungsinduzierten Schwingungen der Brennstäbe reduziert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, mit einem Brennelementfuß und einer am Brennelementfuß gelagerten Tragstruktur für eine Vielzahl von Brennstäben, zwischen denen in Axialrichtung Kühlwasser strömt.

Bei einer Vielzahl von Druckwasserkernreaktoren tritt das Kühlwasser in den auf einer unteren Kernplatte stehenden Brennelementfuß des Brennelements durch eine Mehrzahl von Zufuhrkanälen ein. Bei dem beispielsweise aus der US-Patentschrift 4,900,507 bekannten Druckwasserkernreaktor sind für jedes Brennelement vier Zufuhrkanäle in der unteren Kernplatte vorgesehen, die gegenüber einer Drehung um 90° um eine sich in Axialrichtung des Brennelements erstreckende Mittenachse des Brennelements symmetrisch angeordnet sind. Das Brennelement ist auf diese Weise in vier Quadranten aufgeteilt, die jeweils mittig von unten angeströmt werden. Das aus den Zufuhrkanälen ausströmende Kühlwasser breitet sich im Brennelementfuß ungehindert bis zur Fußplatte des Brennelementfußes aus. Diese Fußplatte ist mit einer Vielzahl von relativ kleinen, annähernd gleichmäßig auf der gesamten Fläche verteilten Durchlassöffnungen versehen und dient bei der bekannten Ausführungsform zugleich als Fremdkörperfilter- oder -sieb. Aufgrund der in Abstandhaltern des Brennelements nur reibschlüssig in Axialrichtung fixierten Brennstäbe werden durch das mit hoher Geschwindigkeit zwischen den Brennstäben fließende Kühlwasser Relativbewegungen zwischen den in den Abstandhaltern angeordneten Halteelementen und den Brennstäben angeregt, die im Laufe des Betriebs zu unerwünschten Frettingschäden führen können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Gefahr des Auftretens solcher strömungsinduzierter Frettingschäden verringert ist.

Die genannte Aufgabe wird gelöst mit einem Brennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Da im Bereich des Brennelementfußes eine strömungsführende Struktur zur Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit des in das Brennelement zwischen die Brennstäbe eintretenden Kühlwassers angeordnet ist, wird die Gefahr des Auftretens von strömungsinduzierten Frettingschäden verringert.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die beobachteten Frettingschäden bei Brennelementen, die bedingt durch die konstruktive Gestaltung und Anordnung der Zufuhrkanäle in der unteren Kernplatte ausgeprägt ungleichmäßig von unten angeströmt werden, wie dies beispielsweise bei der aus der eingangs erwähnten US-Patentschrift 4,900,507 bekannten Anordnung der Fall ist, zumindest zum Teil ihre Ursache darin finden, dass sich die dadurch verursachte inhomogene Geschwindigkeitsverteilung im Brennelementfuß, sich über diesen hinaus in die unteren Bereiche des Brennelements fortsetzt und dort zu ausgeprägten Inhomogenitäten der Strömungsverteilung, d. h. zu großen axialen Geschwindigkeitsdifferenzen in einander benachbarten, einen Brennstab umgebenden Strömüngsunterkanälen führt. Messungen haben ergeben, dass die Differenz der Axialgeschwindigkeit, mit der das Kühlwasser auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Brennstabs fließt, in ungünstigen Brennstabpositionen bis zu 3 m/s betragen kann. Diese ausgeprägten Geschwindigkeitsdifferenzen verursachen nun Brennstabschwingungen, die zu einer erhöhten Fretting-Neigung führen. Die Erfindung beruht daher auf der Überlegung, dass eine gezielte Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit des Kühlwassers noch vor dessen Eintritt in die zwischen den Brennstäben befindlichen Zwischenräume, d.h. noch im Bereich des Brennelementfußes, insbesondere in den Bereichen, in denen hohe Geschwindigkeitsgradienten auftreten, einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung von Frettingschäden an insbesondere in diesen Bereichen angeordneten Brennstäben leisten kann. Diese gezielte Vergleichmäßigung der Axialgeschwindigkeit kann insbesondere durch Modulation des lokalen Strömungswiderstandes erfolgen, indem dieser in Bereichen hoher Axialgeschwindigkeit oder hoher Geschwindigkeitsgradienten erhöht und in Bereichen niedriger Axialgeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsgradienten verringert wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die strömungsführende Struktur integraler Bestandteil der Fußplatte des Brennelementfußes, wobei die strömungsführende Struktur insbesondere durch Formgebung der im Brennelementfuß befindlichen Durchlasskanäle gebildet ist. Eine solche integrale Gestaltung der Fußplatte hat den Vorteil, dass der Einbau zusätzlicher Teile im Bereich des Brennelementfußes entfällt.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die strömungsführende Struktur als separates Bauteil in Strömungsrichtung benachbart zur Fußplatte angeordnet. Diese Maßnahme erfordert zwar die Anbringung eines zusätzlichen Strukturelements im Bereich des Brennelementfußes, hat jedoch den Vorteil, dass bereits bestehende Brennelemente durch eine nachträgliche Anbringung dieser strömungsführenden Struktur verbessert werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die bestehende Struktur zugleich Fremdkörpersieb. Dies hat den Vorteil, dass bei Brennelementtypen, bei denen das Fremdkörpersieb von vornherein als separates Bauteil an der Fußplatte des Brennelementfußes lösbar befestigt ist, ein einfacher Austausch dieses Fremdkörpersiebs ausreicht, um gemäß der Erfindung eine Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit zu erzielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der weiteren Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

1 ein auf einer unteren Kernplatte angeordnetes Brennelement gemäß der Erfindung in einer schematischen Teilansicht,

2 einen Teilschnitt des Brennelementes oberhalb des Brennelementfußes im Randbereich eines darunter in der Kernplatte angeordneten Zufuhrkanals,

3 und 4 jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen eines auf der Fußplatte des Brennelementfußes angeordneten Fremdkörpersiebes in Draufsicht in einer schematischen Prinzipdarstellung

5 eine alternative Ausgestaltung einer Fußplatte, in einem Teillängsschnitt,

6, 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine strömungsführende Struktur gemäß der Erfindung unterhalb der Fußplatte angeordnet ist, in einem Teillängsschnitt bzw. einem Teilquerschnitt,

8 einen Ausschnitt aus einem Fremdkörpersieb, wie er im Stand der Technik Verwendung findet in einer Draufsicht,

9 einen gemäß der Erfindung modifizierten Fremdkörpersieb gleicher Bauart ebenfalls in einer Draufsicht.

Gemäß 1 umfasst ein Brennelement 2 eine Vielzahl von parallel zueinander in Axialrichtung 3 angeordneten Brennstäben 4, die in einer Mehrzahl von Abstandhaltern 6, von denen in der Figur nur der unterste dargestellt ist, reibschlüssig gelagert sind. Die Abstandhalter 6 sind mit Strukturrohren 8 verschweißt, bei denen es sich um Steuerstabführungsrohre, Instrumentierungsrohre oder ergänzende Stützrohre handelt. Diese Strukturrohre 8 sind mit der Fußplatte 10 eines Brennelementfußes 12 verschraubt, mit dem das Brennelement 2 auf einer unteren Kernplatte 14 aufsitzt. Abstandhalter 6, Strukturrohre 8 und Brennelementfuß 12 sind Teil einer die Brennstäbe 4 aufnehmenden Tragstruktur.
Unterhalb eines jeden Brennelements 2 ist die untere Kernplatte 14 mit Zufuhrkanälen 16 versehen, durch die Kühlwasser K in den zwischen der Fußplatte 10 und den oberen Rand der Kernplatte 14 gebildeten Hohlraum 18 einströmt. Durch die inhomogene Zuführung des Kühlwassers K stellt sich im Hohlraum 18 eine inhomogene Verteilung der Axialgeschwindigkeit des Kühlwassers K ein, wie sie durch die Pfeile in der Figur veranschaulicht ist. Im Bereich über den Zufuhrkanälen 16 strömt das Kühlwasser K mit einer hohen Axialgeschwindigkeit, die zur Mitte hin abnimmt. Das Kühlwasser K tritt durch in der Figur nicht sichtbare Durchlassöffnungen in der Fußplatte 10 und eines darüber angeordneten Fremdkörpersiebs 20 in die zwischen die Brennstäbe befindlichen Strömungskanäle ein.
Zur Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit des oberhalb der Fußplatte 10 und oberhalb des Fremdkörpersiebs 20 strömenden Kühlwassers K ist die Fußplatte 10 und/oder das Fremdkörpersieb 20 mit einer strömungsführenden Struktur versehen, die einen Teil des von unten anströmenden Kühlwassers von einem Bereich hoher Axialgeschwindigkeit in einen Bereich niedriger Axialgeschwindigkeit ablenkt und auf diese Weise zu einer Vergleichmäßigung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit im Nachlauf zum Brennelementfuß 12 führt. Alternativ oder ergänzend hierzu kann als strömungsführende Struktur auch eine unterhalb der Fußplatte 10 angeordnete Verteilerplatte 30 vorgesehen sein.
2 zeigt einen Querschnitt durch das Brennelement in einem durch einen gestrichelt eingezeichneten Kreis hervorgehobenen Bereich. Jeder Brennstab 4 ist von 4 Strömungsunterkanälen a, b, c, d umgeben, in denen das Kühlwasser im wesentlichen parallel zu ihm strömt. Gestrichelt ist der Rand eines sich unterhalb in der Kernplatte befindlichen Zufuhrkanals 16 eingezeichnet. Im Vorlauf zur Fußplatte strömt innerhalb dieses Randes das Kühlwasser in einem Jet mit hoher Axialgeschwindigkeit. Außerhalb des Randes ist die Axialgeschwindigkeit im Vorlauf niedrig. In der Umgebung dieses Randes treten somit im Vorlauf hohe Geschwindigkeitsgradienten auf, die sich ohne erfindungsgemäße strömungsführende Struktur bis zu den Brennstäben 4 fortsetzen würde und zur Folge hätte, dass sich die Axialgeschwindigkeiten in den Strömungskanälen a, b, c, d deutlich voneinander unterscheiden würden. Dies hätte eine Schwingungsanregung dieses Brennstabs 4 zur Folge. Durch die erfindungsgemäße strömungsführende Struktur wird zumindest die in solchen kritischen Bereichen im Stand der Technik auftretende Geschwindigkeitsdifferenz reduziert.
3 veranschaulicht eine mögliche Gestaltung eines auf der Fußplatte 10 montierten Fremdkörpersiebs 20 in einer stark schematisierten Prinzipdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Fremdkörpersieb 20 mit Öffnungen 202 versehen, die voneinander verschiedene Querschnittsflächen aufweisen und heterogen über die Gesamtquerschnittsfläche des Brennelementes verteilt sind. Im Beispiel sind eine Vielzahl unterschiedlich gestalteter Arten von Öffnungen 202 vorgesehen, die einen hohen gestalterischen Freiheitsgrad bei der Beeinflussung der Strömung im Nachlauf der Fußplatte 10 ermöglichen. In der Figur sind außerdem die unterhalb des Brennelementfußes 12 in der unteren Kernplatte 14 befindlichen Zufuhrkanäle 16 eingezeichnet. Im Bereich dieser Zufuhrkanäle herrscht unterhalb der Fußplatte 10 eine vertikale Strömungsgeschwindigkeit, die höher ist als die in den umgebenden Zonen, insbesondere in der Mitte vorliegende Axialgeschwindigkeit. Um eine Vergleichmäßigung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit zu erzielen, sind in den Bereichen I über den Zufuhrkanälen 16 die Querschnittsflächen der dort angeordneten Öffnungen 202 verringert, so dass in diesen Bereichen I ein höherer lokaler Strömungswiderstand vorliegt als in der Umgebung (Bereich II). Dies bewirkt einerseits eine Reduktion der axialen Strömungsgeschwindigkeit in diesen Bereichen I und andererseits eine Umverteilung des Kühlwassers in den Rand- oder den Mittenbereich II des Brennelements. Um bei einer solchen Maßnahme den integralen Druck verlust über den gesamten Brennelementfuß 12 nicht ungünstig zu beeinflussen, muss außerdem dafür Sorge getragen werden, dass dessen effektiver Strömungswiderstand annähernd gleich bleibt. Dies wird dadurch bewirkt, dass die lokale Erhöhung des Strömungswiderstandes in den Bereichen I über den Zufuhrkanälen 16 mit einer Verringerung des Strömungswiderstandes (Erhöhung der Querschnittsfläche der Öffnungen 202) im Bereiche II einhergeht.
In der alternativen Ausführungsform gemäß 4 sind in der Fußplatte 10 nur zwei Arten von Durchlässen oder Öffnungen 202a, b vorgesehen, die sich in ihren Querschnittsflächen unterscheiden. Im Bereich II niedriger Anströmgeschwindigkeit sind Öffnungen 202a mit großem Querschnitt vorgesehen. Im Bereich I oberhalb der Zufuhrkanäle 16 sind die Öffnungen 202b mit geringerer Querschnittsfläche angeordnet. Auf die Weise wird in diesem Bereich I der lokale Strömungswiderstand erhöht und im Nachlauf der Fußplatte 10 eine Homogenisierung der Verteilung der axialen Strömungsgeschwindigkeit erzielt.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Stege 102, 104 der Fußplatte 10 selbst, und damit die Formgebung der zwischen den Stegen gebildeten Durchlasskanäle 106 als strömungsführende Struktur im Sinn der vorliegenden Erfindung gestaltet sind. Im Ausführungsbeispiel sind Stege 104 mit schräg zur Strömungsrichtung verlaufenden Wänden vorgesehen, die das Kühlwasser K vermehrt vom Bereich I in den Bereich II überleiten und den Strömungswiderstand im Bereich II niedriger Axialgeschwindigkeit entsprechend reduzieren, so dass im Nachlauf eine durch Pfeile veranschaulichte Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung auftritt.
Im Ausführungsbeispiel gem. 6 und 7 ist unterhalb der Fußplatte 10 als separates Bauteil eine Verteilerplatte 30 mit ringförmig angeordneten, jeweils konisch verlaufenden Leitblechen 302 angeordnet, die das von unten mit hoher Geschwindigkeit aus den Zufuhrkanälen anströmende Kühlwasser K ebenfalls zur Mitte oder zum Rand hin in Bereiche II niedriger Strömungsgeschwindigkeit ablenken.
8 zeigt einen Quadranten eines oberhalb der Fußplatte angeordneten gitterartigen Fremdkörpersiebs 20, wie er im Stand der Technik Verwendung findet. Bei diesem Fremdkörpersieb 20 sind eine Vielzahl von Öffnungen 204 über den Durchlassöffnungen der zugehörigen Fußplatte angeordnet, die alle dieselbe Querschnittsfläche aufweisen.
In 9 ist nun eine Situation dargestellt, gemäß das im Stand der Technik benutzte Fremdkörpersieb 20 dadurch modifiziert ist, dass eine ausgewählte Teilmenge der Öffnungen 204 verschlossen ist, um auf diese Weise eine gezielte Beeinflussung des Strömungsquerschnittes oberhalb der Zufuhrkanäle herbeizuführen. In der Figur ist zu erkennen, dass dabei insbesondere nur solche Öffnungen 204 verschlossen sind, die sich in der Projektion des Randbereiches des darunter liegenden Zufuhrkanals befinden. Dadurch werden die Geschwindigkeitsgradienten an den kritischen Brennstabpositionen verringert. Eine solche Maßnahme hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da es ausreicht, die Geschwindigkeitsverteilung in Bereichen besonders hoher Geschwindigkeitsgradienten zu glätten, so dass der mit der erfindungsgemäßen Maßnahme einhergehende Druckverlust auf vertretbare Ausmaße reduziert ist.

Claims

Brennelement (2) für einen Druckwasserkernreaktor, mit einem Brennelementfuß (12) und einer an diesem gelagerten Tragstruktur für eine Vielzahl von Brennstäben (4), zwischen denen in Axialrichtung (3) Kühlwasser (K) strömt, gekennzeichnet durch eine im Bereich des Brennelementfußes (12) angeordnete strömungsführende Struktur (10, 20, 30) zur Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit des zwischen die Brennstäbe (4) eintretenden Kühlwassers (K).
Brennelement nach Anspruch 1, bei dem die strömungsführenden Struktur integraler Bestandteil der Fußplatte (10) des Brennelementfußes (12) ist.
Brennelement nach Anspruch 2, bei dem die strömungsführende Struktur durch Formgebung der im Brennelementfuß (12) befindlichen Durchlasskanäle (106) gebildet ist.
Brennelement nach Anspruch 1, bei dem die strömungsführende Struktur als separates Bauteil (10, 30) in Strömungsrichtung benachbart zur Fußplatte (10) angeordnet ist.
Brennelement nach Anspruch 4, bei dem die strömungsführende Struktur zugleich Fremdkörpersieb (30) ist.
Brennelement nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die strömungsführende Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen (204) ver sehen ist, die alle dieselbe Querschnittsfläche aufweisen und die Homogenisierung der Verteilung der Axialgeschwindigkeit durch deren Verteilung über den Querschnitt des Brennelementes bewirkt ist.
Brennelement nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die strömungsführende Struktur mit Öffnungen (202, 202a, 202b) versehen, die sich geometrisch voneinander unterscheiden.