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Flüssigkeitsgekühltes Kernreaktor-Brennelement Die Erfindung bezieht
sich auf ein flüssigkeitsgekühltes Kernreaktor-Brennelement, welches aus einem Bündel
von Brennstäben besteht, die in einem gemeinsamen Mantel angeordnet sind, wobei
der Mantel an seinem unteren, verjüngten Ende ein als Fuß dienendes offenes Rohrstück
aufweist, das in einer Bohrung der Gitterplatte geführt ist. Das Brennelement wird
vom Kühlmittel durchströmt, welches einen aufwärts gerichteten Auftrieb verursacht.
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Die aufwärts gerichtete Kühlmittelströmung erzeugt im Brennelement
eine nach oben gerichtete Kraft von der Größe K =F (P,-p2). Hierin
ist Pl-P. der Druckverlust längs des Elementes und F der Strömungsquerschnitt. Um
den Betrag dieser Kraft bzw. dieses von der Strömung verursachten Auftriebs wird
die Auflagekraft des Elementes in der Gitterplatte verringert. überschreitet diese
Kraft das Eigengewicht des Elementes, vermindert um den statischen Auftrieb des
Elementes, so wird letzteres von der Strömung aus der Gitterplatte hochgezogen.
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Besonders störend ist der von der Strömung verursachte Auftrieb bei
einer Regelung des Reaktors mittels senkrecht bewegbarer Brennelemente. Bei Notabschaltung
öffnet die hierbei vorhandene Greifvorrichtung und gibt das Brennelement frei, das
durch das Eigengewicht nach unten aus dem Core herausfallen soll. Ist nun der Auftrieb
groß, so wird die Fallzeit entsprechend lang, und die Reaktivitätsabnahme geht zu
langsam vor sich. Ist die nach oben gerichtete Kraft zu stark, so kann das Brennelement
überhaupt nicht mehr nach unten herausfallen.
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Ein Mittel zur Verkleinerung der Fallzeit besteht darin, durch Zusatzgewichte
das Brennelementgewicht zu vergrößern. Diese Zusatzgewichte bedingen jedoch konstruktive
Nachteile.
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Bei Kernreaktoren mit derartigen Brennelementen ist bereits vorgeschlagen
worden, am oberen Kühlmittelaustritt des Brennelementmantels eine durch die Lademaschine
betätigbare Elementensperre anzuordnen, welche dazu dient, das Brennelement entgegen
der Auftriebskraft in seiner vorgesehenen Lage festzuhalten. Bei verschiedenen Kühlmittelgeschwindigkeiten
ist die auf das Brennelement wirkende Auftriebskraft Schwankungen unterworfen, durch
welche in axialer Richtung ein labiler Zustand hervorgerufen werden kann. Aus diesem
Grunde ist nach dem bekannten Vorschlag im Bereich der Eintrittsöffnung eine aufschwimmbare
Drossel im Rohrstück des Brennelementenfußes vorgesehen. Durch diese Drossel soll
erreicht werden, daß infolge des entstehenden Druckes ständig eine Schubkraft auf
das Element einwirkt, die dieses gegen die Sperre am oberen Ende des Brennelementmantels
drückt. Die Drossel bewirkt somit eine Verminderung der Kühlmittelgeschwindigkeit
und eine Erhöhung des Auftriebs; damit soll auch sichergestellt werden, daß in vertikaler
Richtung keine Schwingungen auftreten, sondern daß das Brennelement stets mit einer
möglichst konstanten Auftriebskraft an der oberen Brennelementensperre anliegt.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem tritt bei solchen Brennelementen
nicht auf, die zwischen einer oder zwei unteren und einer oberen Gitterplatte fest
eingespannt sind. Auch bei einem bekannten Druckwasserreaktor liegt die Erfindungsaufgabe
nicht vor, da auch dort die Brennelemente zwischen einer oberen und einer unteren
Gitterplatte fest eingespannt sind. Die dort vorgesehene Verminderung des Ableitungsquerschnitts
am oberen Ende des Brennelementmantels bewirkt eine Druckerhöhung innerhalb des
Brennelementmantels, um dessen Deformierung auf Grund des Seitendruckes zu verhüten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Brennelement so auszubilden,
daß ohne besondere zusätzliche Vorkehrungen deren betriebssichere Lage auf Grund
der nach unten gerichteten Kraft ihres Eigengewichtes entgegen der durch die Kühlmittelströmung
hervorgerufenen Auftriebskraft bei allen Betriebszuständen sichergestellt ist.
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Der Erfindungsvorschlag besteht darin, den Durchmesser des Fußrohrstücks
derart zu bemessen, daß auf Grund der Differenz der Durchflußquerschnitte die Auftriebskraft
kleiner ist als das Eigengewicht des Brennelements.
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Wenn die Ausbildung der Brennelementanordnung so getroffen ist, daß
durch ein Bewegen der Brennelemente
in vertikaler Richtung der
Reaktor regelbar oder schnell abschaltbar ist, dann kann nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
das Fußrohrstück in der Öffnung der Gitterplatte dichtend geführt und abhebbar gelagert
sein. Dadurch wird vermieden, daß ein Teil des Kühlmittels seitlich am Brennelementenfuß
vorbeiströmt und außerhalb desselben auf den Brennelementmantel eine unerwünschte
Auftriebskraft ausübt.
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Wenn die Brennelementanordnung wiederum zum Regeln oder Schnellabschalten
durch Absenken des Brennelements aus dem Core nach unten bestimmt ist, so kann nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung dieses mit seinem entsprechend verlängerten
Fußrohrstück in einem unterhalb der Gitterplatte angebrachten topfartigen Ansatzstück
dichtend geführt und in dieses absenkbar sein.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß ausgebildeter
Brennelemente schematisch dargestellt, die im folgenden näher beschrieben sind.
Es zeigt F i g. 1 das in der Gitterplatte gelagerte Brennelement nach der
Erfindung im. Querschnitt, F i g. 2 das Brennelement nach der F i
g. 1 in einer anderen Ausführung, F i g. 3 das Brennelement nach der
F i g. 1 in einer weiteren Abwandlung.
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Mit 1 ist der Mantel des Brennelements bezeichnet, in welchem
die Brennstäbe 2 angeordnet sind. Nach unten ist der Brennelementmantel als rohrartiges
Fußstück 3 ausgebildet, das mittels einer Dichtung 4 in einer öffnung der
unteren Gitterplatte 5
gelagert ist. Durch die unten offene Einströmöffnung
.im Brennelementfuß 3 strömt das Kühlmittel ein. Infolge des gegebenen Querschnittverhältnisses
wird die Auftriebskraft des Kühlmittelstromes so stark vermindert, daß auf Grund
des Eigengewichtes des Brennelements dessen Lage in der unteren Gitterplatte sichergestellt
ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 2 ist das Brennelement
in vertikaler Richtung heb- und senkbar ausgebildet. Es ist mit einem pilzartigen
Ansatz 6 versehen, an dem es von der Greifvorrichtung 7 des Hubstabes
8 erfaßt wird.
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Der Brennelementfuß 3 ist entsprechend dem Hubweg verlängert
und in der Dichtung 4 der Gitterplatte 5 heb- und senkbar geführt.
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In der F i g. 3 ist das Brennelement ebenfalls heb-und senkbar
ausgebildet. Hier weist die untere Gitterplatte ein topfartiges Ansatzstück
9 auf, in welches das Brennelement abgesenkt werden kann. Auch hier ist der
Brennelementfuß 3 in einer Dichtung 4 heb- und senkbar geführt, die am Bodenteil
des topfartigen Ansatzstückes 9 angebracht ist.