DE1173997B

DE1173997B - Brennstoffeinsatz

Info

Publication number: DE1173997B
Application number: DEU8459A
Authority: DE
Inventors: Michael Treshow
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1960-11-17
Filing date: 1961-11-10
Publication date: 1964-07-16
Also published as: NL122832C; NL270136A; FR1304386A; CH400386A; US3070537A; GB918370A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/24

Nummer: 1173 997

Aktenzeichen: U 8459 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 10. November 1961

Auslegetag: 16. Juli 1964

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffeinsatz zum Einsetzen in einen Kernkanal eines Siedewasserkernreaktors, der mehrere Brennstoffstäbe aufweist, von denen jeder mit einer Hülse aus Metall umgeben ist und die in einer regelmäßigen Anordnung in einem rohrförmigen Behälter in axialer Richtung angeordnet sind.

In Reaktoren der bezeichneten Art wurden bisher die Brennstoffelemente nebeneinander angeordnet und das Kühlwasser in einer Richtung parallel zur Längsrichtung der Brennstoffelemente durchgeleitet. Bei dieser Anordnung wird der obere Teil der Brennstoffelemente durch den Kontakt mit dem Wasser, welches einen großen Volumenanteil an Dampfblasen enthält, gekühlt. Da der Dampf ein Wärmeaustauschmedium mit relativ geringem Wirkungsgrad ist, wird die Krafterzeugung des Reaktors dadurch eingeschränkt.

Die lange Kühlmittelpassage bietet weiter einen sehr großen Strömungswiderstand, erfordert eine erhöhte Pumpenleistung für die Zwangszirkulation, oder es wird im Falle einer Eigenzirkulation infolge des natürlichen Auftriebs die Strömung eingeschränkt. Auch hierdurch wird die zur Verfügung stehende Energie geringer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Wärmeübergangseigenschaften bei einem Siedewasserreaktor zu verbessern und somit den Gesamtwirkungsgrad des Reaktors zu vergrößern, indem der Dampfausstoß ohne Vergrößerung der Einrichtung, die das spaltbare Material enthält, vermehrt wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zur Verbesserung des Kühlmittelstroms in radialer Richtung und dadurch zum besseren Wärmeaustausch entlang der Behälterachse ein zentrales Kühlmittelverteilerrohr angeordnet ist, dessen oberes Ende abgeschlossen und das mit einer Reihe von lippenförmigen und in regelmäßigem Abstand voneinander angeordneten Perforationen versehen ist, die so ausgebildet sind, daß sie das Kühlmittel zu einer nach unten gerichteten Strömung veranlassen, und daß mehrere kreisringförmige Führungen aus Metall mit umgebogenen Kanten fest auf dem Verteilerrohr sitzen, die in gleichmäßigen Abständen längs dieses Verteilerrohres angeordnet sind und die Öffnungen haben, durch die die Brennstoffstäbe gesteckt sind.

Durch diese Ausbildung wird der Dampf aus dem Kühlmittelstrom entfernt, wobei das nach unten strömende Kühlmittel nicht behindert wird. Darüber hinaus werden die Unterschiede der Temperaturen Brennstoffeinsatz

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Michael Treshow, Del Mar, San Diego, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. November 1960

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der Brennstoffelemente verringert, da eine gleichmäßige Temperatur des Kühlmittels in allen axialen Lagen des Brennstoffes gewährleistet ist. Das Kühlmittel wird so geleitet,daß es nach dem Kontakt mit den Brennstoffelementen in radialer Richtung auf einem wesentlich kürzeren Weg als bisher abströmt. Die Dampfblasen, die sich während dieses Durchgangs bilden, werden aas den engen Kanälen zwischen den Brennstoffelementen in einen Ringraum außerhalb dieser Elemente, in dem die Strömung viel weniger behindert ist, ausgespült. Hier ist ein geringerer Widerstand für den nach aufwärts gerichteten Strom von Wasser und Dampf vorhanden. Weiter berührt flüssiges Wasser die Elemente längs ihrer gesamten Länge, wodurch die Wärmeabfuhr verbessert wird. Aus diesem Grund enthält die Zone des Reaktors, in der die Wärmeerzeugung ein Maximum ist, ausreichend flüssiges strömendes Wasser zur Kühlung.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine mentalsgetreue Ansicht eines Brennstoffeinsatzes nach der vorliegenden Erfindung, wobei der obere Teil teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des unteren Teils des Brennstoffeinsatzes, der in F i g. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des oberen Teils des in F i g. 1 dargestellten Brennstoffeinsatzes;

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Fig. 4 zeigt eine weitere vergrößerte Schnitt- Innendurchmesser von 5,093 cm. Diese Scheiben ansicht des oberen Teils der Fig. 2, wobei ein sind mit auf drei Kreisen angeordneten Löchern einfaches Bauteil eines Brennstoffeinsatzes darge- versehen. Die einzelnen Kreise enthalten von innen stellt ist; nach außen achtzehn, vierundzwanzig und dreißig F i g. 5 zeigt einen Querschnitt durch die in F i g. 4 5 Löcher. Die Löcher sind in gleichem Abstand vondargestellte Anordnung an einem Ort und in einer einander angeordnet. Der Durchmesser der Löcher Richtung, die durch die Pfeile angedeutet sind. beträgt 7,112 mm. Die Löcher sind rund, und die Fig. 6 zeigt eine mentalsgetreue Ansicht des Kreisdurchmesser betragen 6,191, 8,414 und unteren Teils eines Brennstoffeinsatzes teilweise im 10,478 cm. Die Kreise sind konzentrisch zu dem Schnitt. ίο Innen- und dem Außenkreis der Scheiben ange-Wie in F i g. 1 dargestellt ist, ist der Haupt- ordnet. Obere Gitterführungen 28 bestehen ebenfalls behälter 2 des Brennstoffeinsatzes ein Rohr aus einer aus einer Zirkonlegierung. Es sind dies Scheiben von Zirkonlegierung mit 15,24 cm Außendurchmesser, 12,541 cm Außendurchmesser und 5,093 cm Inneneiner Wandstärke von 1,59 mm und einer Länge von durchmesser. Sie haben eine Wandstärke von 4,42 m. Dieses Rohr paßt in einen unteren Gitter- 15 1,588 mm und einen nach oben im rechten Winkel paßteil 4, der ebenfalls aus einer Zirkonlegierung zu der Peripherie aufgebogenen Rand, der sich besteht und der von einem unten im Reaktor be- 1,27 cm nach oben erstreckt. Diese Gitterführungen findlichen Gitter 6, welches einen Teil des Siede- sind mit derselben Anzahl von Löchern mit einem wasserreaktors bildet, getragen wird. Das Abstützen Durchmesser von 7,112 mm in derselben Anordnung geschieht mittels eines konischen Abschnittes 8, der 20 wie in den Gitterscheiben 26 versehen. Die unteren in die konische Fläche einer der in dem unteren Gitterscheiben 26 und die oberen Gitterführungen Gitter 6 befindlichen Öffnungen eingreift. Die untere 28 bilden den Boden und den Deckel des Brennstoff-Öffnung 10 ist für den Kühlmitteleintritt entweder einsatzes 29. Mittlere Führungen 30 bilden einen infolge natürlicher Konvektionsströmung oder in- Teil der Brennstoffeinsätze 29, wobei die Abmessunfolge einer durch Druck bewirkten Zwangsströmung 25 gen und das Material mit der oberen Gitterführung bestimmt. Der obere Teil des unteren Gitterpaßteils 4 28 übereinstimmt, mit der Ausnahme, daß die ist abgedreht, so daß er in den rohrförmigen Be- aus einer Zirkonlegierung bestehenden Scheiben halter 2 auf eine Länge von etwa 3,89 cm hinein- 1,016 mm stark sind und der Rand sich nur paßt. Der untere Gitterpaßteil 4 hat weiter eine 9,525 mm nach oben erstreckt. Vier Abstandszentrale Bohrung von 4,763 cm Durchmesser, die 30 streifen 32 aus einer Zirkonlegierung mit einer sich in ihrem oberen Teil über eine Länge von Wandstärke von 1,016 mm, 6,35 mm breit und 3,81 cm auf einen Durchmesser von 5,088 cm er- 12,7 mm lang, sind an jeder der mittleren Führunweitert. Dieser obere Teil bildet eine Zapfenbohrung. gen 30 vorzugsweise mittels eines inerten Licht-Die obere Wandung 12 des unteren Gitterpaßteils 4 bogenschweißverfahrens an Stellen befestigt, die ist etwa 5,08 cm stark. 35 gleichmäßig um die Peripherie der Führungen 30 In der Zapfenbohrung des unteren Gitterpaßteils 4 verteilt sind, um die jeweils darüber befindlichen ist ein Verteilerrohr 14 eingesetzt, das ebenfalls aus Führungen 30 zu stützen. Vier untere Stützstreifen einer Zirkonlegierung besteht. Dieses Verteilerrohr 34 aus einer Zirkonlegierung mit einer Wandstärke hat einen Außendurchmesser von 5,08 cm und eine von 1,588 mm, 6,35 mm breit und 22,225 mm lang, Wandstärke von 1,27 mm und ist 4,11 m lang; Von 4° sind an der Unterseite der Gitterscheiben 26 beeiner Stelle 4,445 cm oberhalb des Bodens des Ver- festigt, so daß sie nach oben um 22,225 mm vorteilerrohres 14 ab ist, wie in Fig. 4 im einzelnen stehen.

dargestellt ist, eine Vielzahl von nach innen gerich- Um einen Brennstoff einsatz 29 herzustellen, werteten lippenförmigen Perforationen 16 gleichmäßig den die Löcher einer unteren Gitterscheibe 26 von um den Umfang herum verteilt, die hergestellt wer- 45 elf mittleren Führungen 30 und einer oberen Gitterden, indem in horizontaler Richtung eine Anzahl führung 28 untereinander ausgefluchtet. Der Abstand von in gleichem Abstand voneinander angeordneten, wird durch die Stützstreifen 34 und die Abstandsetwa 6,35 mm breiten Schlitzen durch das Rohr ein- streifen 32 gewährleistet. Zweiundsiebzig Spaltstoffgeschnitten werden. Das Metall wird dann oberhalb stäbe 20 werden dann in die Löcher eingeführt und des Schlitzes nach innen gedrückt, so daß das Metall 50 die Stäbe mit der oberen Gitterführung 28 und der nach innen lippenförmig vorsteht. Diese Perfora- unteren Gitterscheibe 26 durch Schweißen vertionen wiederholen sich jeweils im Abstand von bunden. Dieser Einsatz, der wie oben beschrieben 12,7 mm bis zu einer Höhe von 3,66 m. Der obere fertiggestellt wird, wird über das Verteilerrohr 14 Teil des Verteilerrohres 14 ist mittels einer Scheibe geschoben, um auf der oberen Wandung 12 des (s. Fig. 3) abgeschlossen. 55 unteren Gitterpaßteils 4 aufzusitzen. Elf solche Ein-Der Brennstoff selbst besteht aus achthundert- sätze 29 werden hergestellt und nacheinander auf vierundzwanzig Spaltstoffstäben 20. Jeder Spaltstoff- die bereits früher installierten Einsätze 29 aufgesetzt, stab 20 hat einen Durchmesser von 7,061mm und Vier in radialer Richtung verlaufende Stützen 36 sind ist 30,48 cm lang. Er ist aus einer Stange 22 mit an den Stellen an dem Behälterrohr 2 befestigt, an einem Gehalt von 93,5 % Natururan, 5 % Zirkon 60 denen jeweils eine obere Gitterführung 28 angrenzt, und 1,5¹Vo Niob (alle Anteile in Gewichtsprozent) Über dem obersten Spaltstoffeinsatz 29 befindet sich hergestellt. Dieser Uranstab 22 ist in eine metall- ein wendeiförmiges Blech 38 aus einer Zirkoniumurgisch mit ihm verbundene Hülle 24 aus einer legierung, das sich an den inneren Durchmesser des Zirkonlegierung mit einer Wandstärke von Rohres 2, in das es eingesetzt ist, anpaßt. Es ist aus 0,5080 mm eingeschlossen. 65 einem 14,923 X 15,240 cm großen, 1,588 mm star-Die unteren Gitterscheiben 26 sind Ringscheiben ken Legierungsblech hergestellt, das um die aus einer Zirkonlegierung, 1,5875 mm stark mit 15,240 cm lange Achse verdrillt ist. Oben an dem einem Außendurchmesser von 12,065 cm und einem Ableitblech 38 befindet sich ein Hebeknopf 40 in

der Verdrillungsachse des Ableitbleches 38. Dieses wendeiförmige Blech 38 verursacht eine Rotation des nach oben strömenden Dampf-Wasser-Gemisches und treibt das Wasser nach außen gegen die Peripherie des Rohres 2 zu. Das obere Teil des Behälterrohres 2 ist in das obere Gitter 42 eingepaßt, von dem es herabhängt. Wie in den F i g. 1 und 3 dargestellt ist, hat jeder der Dampfseparatoren 44 eine äußere Hülse 46, die konzentrisch und im radialen Abstand zu dem Oberteil des Behälterrohres 2 angeordnet ist. Ein Ring 48, der mit dem Behälterrohr 2 an dem unteren Ende der äußeren Hülse 46 des Dampfseparators verbunden ist, stützt die äußere Hülse 46 und ist mit Öffnungen 50 versehen, so daß das Kühlmittel zwischen der Hülse 46 und dem Behälterrohr 2 zur Hauptmasse des Kühlmittels 52 zurückströmen kann, die auf einem etwas höheren Niveau als die obere Begrenzung des Dampfseparators 44 gehalten wird. Ein zweiter perforierter Ring 54 ist innerhalb des Behälterrohres 2 an dem oberen Ende desselben angeordnet. Die äußere Hülse 46 besitzt einen umgebördelten oberen Rand 56, der sich über die Mündung des Behälterrohres 2 erstreckt und mit dem perforierten Ring 54 fest ver- ■ bunden ist.

Der Dampf, der aus den Spaltstoffeinsätzen 29 austritt, strömt bevorzugt durch den Dampfseparator 44 längs der Achse desselben, während das Wasser infolge der Prallströmung an die innere Wandung des Rohrbehälters 2 am Ort des Separators gedruckt wird. Als Folge hiervon wird das Kühlmittel durch die Perforationen in dem perforierten Ring 54 geleitet und fließt zwischen dem Behälterrohr 2 und der äußeren Hülse 46 durch die öffnungen 50 in dem perforierten Ring 48 nach unten und wieder in die Hauptmasse des Kühlmittels 52. Im Betrieb wird der ganze Brennstoffeinsatz mit flüssigem Kühlmittel gefüllt, mit Ausnahme des Raumes, der durch die Dampfblasen während dessen Strömung nach oben eingenommen wird. Das Kühlmittel dringt durch die öffnung 10 entweder infolge seines natürlichen Auftriebes oder infolge von Zwangskonvektion ein. Dieses Kühlmittel verläßt das Verteilerrohr 2 infolge der nach innen gerichteten Vorsprünge 16 und fließt in radialer Richtung an den Spaltstoffstäben 20 vorbei. Der Dampf, der in dem Brennstoffelement erzeugt wird, wird an den Spaltstoffstäben vorbei in die Passage zwischen den Führungen 30 und dem Behälterrohr 2 gespült, von wo er auf einem Weg ohne Hindernisse zu dem Dampfseparator 44 gelangen kann. Der Dampf, der auf einem Strömungsweg an den Spaltstoffstäben vorbei erzeugt wird, wird nicht an anderen Spaltstoffstäben oder anderen Teilen desselben Spaltstoffstabes ein zweites Mal vorbeigeleitet, um auf diese Weise die Wärmeaustauscheigenschaften zu verschlechtern. Dadurch wird ein Betrieb des Reaktors mit einem Energieniveau (25%) oberhalb der bisher möglichen Ausbeuten erhalten, die mit Reaktoren, die nach dem Stande der Technik konstruiert sind, erreicht werden.

Ein anderer Brennstoffeinsatz ist in F i g. 6 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem zuerst beschriebenen dadurch, daß das Verteilerrohr 114 sich von unten nach oben entsprechend der Abnahme des von diesem Verteilerrohr geführten Kühlmittel-Stroms verjüngt. Die Einsätze 129 haben progressiv kleiner werdende Öffnungen in der unteren Scheibe 26 und der oberen Gitterführung 28 sowie den mittleren Führungen 30, um sich dem Durchmesser des Verteilerrohres 114 an den entsprechenden Stellen anzupassen, Eine weitere Abänderung besteht darin, die gleichartigen Mittelöffnungen der oberen Führung 28 und der mittleren Führungen 30 so auszubilden, daß sie mit den Mittelöffnungen in der unteren Gitterseheibe 26 jedes nächstfolgenden Einsatzes 129 übereinstimmen.

Die Brennstoffeinsätze können zusammen mit irgendeinem Kühlmittelmoderator, der bei vernünftigen Temperaturen siedet, angewandt werden. In dem besonderen dargestellten Ausführungsbeispiel, das in Zusammenhang mit dem Reaktor, auf den oben Bezug genommen wird, angewandt wird, wird schweres Wasser (D₂O) verwendet. Die Zirkonlegierung kann irgendeine ausreichend korrosionsbeständige Legierung sein, jedoch wird vorzugsweise für Spaltstoffeinsätze der in dem Beispiel dargestellten Art eine Zirkonlegierung aus etwa 1,5»/β Zinn, 0,12% Eisen, 0,10% Chrom und 0,05 % Nickel, und Rest im wesentlichen Zirkon verwendet. Jeder Brennstoffeinsatz enthält 128,36 kg Spaltstofflegierung. Der Urangehalt eines Brennstoffelements beträgt 120,20 kg. Es wird Natururan verwendet.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoff einsatz zum Einsetzen in einen Kernkanal eines Siedewasserkernreaktors, der mehrere Brennstoffstäbe aufweist, von denen jeder mit einer Hülse aus Metall umgeben ist und die in einer regelmäßigen Anordnung in einen rohrförmigen Behälter in axialer Richtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Kühlmittelstroms in radialer Richtung und dadurch zum besseren Wärmeaustausch entlang der Behälterachse ein zentrales Kühlmittelverteilerrohr (14) angeordnet ist, dessen oberes Ende abgeschlossen und das mit einer Reihe von lippenförmigen und in regelmäßigem Abstand voneinander angeordneten Perforationen (16) versehen ist, die so ausgebildet sind, daß sie das Kühlmittel zu einer nach unten gerichteten Strömung veranlassen, und daß mehrere kreisringförmige Führungen (30) aus Metall mit umgebogenen Kanten fest auf dem Verteilerrohr (14) sitzen, die in gleichmäßigen Abständen längs dieses Verteilerrohres angeordnet sind und die Öffnungen haben, durch die die Brennstoffstäbe (20) gestekt sind.

2. Brennstoffeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Brennstoffstäben in konzentrischen Kreisen innerhalb des Behälterrohres angeordnet ist.

3. Brennstoff einsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der kreisringförmigen Führungen für die Spaltstoffstäbe geringer ist als der Innendurchmesser des Behälterrohres.

4. Brennstoffeinsatz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spaltstoffstäbe kürzer als die volle Länge der gesamten Einrichtung sind.

5. Brennstoff einsatz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand voneinander angeordneten ringförmigen Führungen mit nach oben umge-

bogenen Rändern versehen sind und die durch Öffnungen in diesen Führungen geführten und im Abstand voneinander längs konzentrischen Kreisen verteilt angeordneten Spaltstoffstäbe durch eine flache Gitterscheibe an ihren unteren Enden, in deren Öffnungen sie hineingepaßt sind, gestützt sind und daß die kreisringförmige oberste Gitterführung mit nach oben aufgebogenem Rand einen solchen Durchmesser hat,

daß die flache Gitterscheibe eines zweiten Einsatzes in sie hineinpaßt.

6. Anordnung der Brennstoffeinsätze nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 in einem Kernkanal, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dieser Einsätze vertikal aufeinandergestapelt sind und daß ein gemeinsames Behälterrohr und ein gemeinsames oben geschlossenes inneres Verteilerrohr vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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