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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor- Kernreaktor-Brennelement
Brennelement, bestehend aus einem Bündel von Brennstoffstäben, die in einem durch
koaxiale Rohre begrenzten Ringraum am Umfang des Elementes angeordnet sind und deren
Achsen parallel zur Brennelementachse verlaufen.
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Es ist bekannt, daß sich insbesondere bei Leistungsreaktoren eine
radiale Neutronen-Flußverteilung ausbildet, die in der Mitte des Reaktors ihr Maximum
besitzt und nach den Rändern zu abfällt. Da der Neutronenfiuß proportional der Leistung
des Reaktors ist, bildet sich eine Leistungsverteilung im Reaktor aus, die ihr Maximum
in der Mitte besitzt. Um eine gleichmäßige Ausnutzung und einen gleichen Abbrand
der Brennelemente im Reaktor zu erreichen, werden die Brennelemente nach einer gewissen
Betriebszeit vertauscht, derart, daß die Brennelemente der Randzone einen Platz
näher dem Zentrum des Reaktorkerns erhalten. Bei größeren Brennelementen wirkt sich
ein radialer Leistungsabfall bereits in seinem Inneren ungünstig aus. So kann sich
beispielsweise innerhalb des Brennelementes ein radialer Leistungsabfall von größenordnungsmäßig
10% ausbilden. Ein derartiger Leistungsabfall bedeutet, daß bei einer reinen Längsströmung
im Kühlkanal das Kühlmittel an den Brennstoffstäben, die zur Kernmitte liegen, eine
höhere Temperatur hat. Die zum Kernrand liegenden Brennstoffstäbe haben eine entsprechend
niedrigere Temperatur.
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Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1100 194), Brennstoffstäbe
am Umfang von ringförmigen Brennelementen anzuordnen und das Kühlmittel durch wendelförmig
um die Brennelementachse angeordnete, mit Ausschnitten für die Brennstoffstäbe versehene
Kühlmittelleitbleche so zuzuführen, daß es spiralförmig längs eines Brennstoffstabes
fließt. Durch diese bekannte Anordnung wird nicht erreicht, daß die infolge der
Neutronen-Flußverteilung ungleichmäßig auftretende Wärme gleichmäßig verteilt wird.
Ferner ist es bereits bekannt (schweizerische Patentschrift 348 754), ringförmig
angeordnete Brennstoffstäbe jeweils einzeln mit einer wendelförmig verlaufenden
Leitfläche zu umgeben. Da das Kühlmittel jedoch lediglich um einen Brennstab geführt
wird, ist eine solche Anordnung zum Zweck der Verteilung ungleichmäßig auftretender
Wärme in einem Brennelement nicht geeignet. Es ist auch bereits bekannt (britische
Patentschrift 859 395), im inneren Moderatorraum eines Brennelementes ein koaxial
verlaufendes Rohr in Gestalt eines von einem Kühlmittel durchflossenen Brennstoffrohres
anzuordnen.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, einen derartigen
radialen Leistungsabfall auszugleichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Kernreaktor-Brennelement
der eingangs genannten Art darin, daß in dem Ringraum mit Bohrungen versehene Kühlmittelleitbleche
wendelförmig um die Brennelementachse fest angeordnet sind, derart, daß das durch
die Leitbleche geführte Kühlmittel alle Brennstoffstäbe längs des gesamten Umfanges
beim einmaligen Durchströmen des Brennelementes quer anströmt und umströmt. Besonders
vorteilhaft ist es, im inneren Moderatorraum des Brennelementes ein koaxial verlaufendes
Rohr für die Zuführung kälteren Speisewassers anzuordnen, derart, daß das Kühlmittel
in diesem Rohr in einer Richtung und in dem Raum zwischen diesem Rohr und dem mit
Brennstoffstäben versehenen Ringraum in entgegengesetzter Richtung strömt.
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Das Brennelement nach der Erfindung eignet sich insbesondere für einen
Durchlaufreaktor, dessen Kühlmittel bei überkritischem Druck in den Brennelementbündeln
bis zur kritischen Temperatur erwärmt und bei dem der Dampf anschließend in dem
gleichen oder in einem nachgeschalteten Bündel überhitzt wird. In vorteilhafter
Weise wird als Kühlmittel das gleiche Medium wie für den Moderator verwendet. Der
Reaktorkern besteht aus einer großen Anzahl von Brennelementbündeln, in denen jeweils
beispielsweise 56 Brennstoffstäbe in zwei Reihen in dem kreisförmigen Ringraum angeordnet
sind. Der von dem Ringraum umschlossene Moderatorraum ist mittels eines koaxial
verlaufenden, an seinem oberen Ende geschlossenen Rohres nach oben zum Dampfraum
hin abgeschlossen, so daß von unten durch das im Zentrum des Brennstoffelementes
befindliche Rohr kälteres Speisewasser zugeführt werden kann, das an dem geschlossenen
Ende des erwähnten
Rohres umgelenkt wird und nach unten in den
inneren Moderatorraum fließt. Im Betrieb wird das Wasser dann infolge weiterer Erwärmung
durch die Moderations- und die Verlustwärme außerhalb des Brennelementes im äußeren
Moderatorraum nach oben aufsteigen.
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Zur näheren Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung ist in F i
g. 1 a ein Längsschnitt eines Brennelementes und in F i g. 1 b ein Querschnitt desselben
dargestellt. Zur Erläuterung der inneren Moderatorzuführung und eines vorteilhaften
Notabschaltverfahrens ist in der F i g. 2 ein Reaktor dargestellt, bei dem das Brennelement
nach der Erfindung Anwendung findet.
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Wie in F i g. 1 a und 1 b dargestellt ist, befinden sich in dem kreisförmigen
Ringraum 5 die Brennstoffstäbe 6. Der Ringraum 5 wird durch die Kühlkanalwände 4
und 7 begrenzt. Zwischen den Kühlkanalwänden liegt das wendelförmig gebogene Leitblech
12. Dieses Leitblech 12 nimmt in Bohrungen die Brennstoffstäbe 6 auf. Das Kühlmedium
fließt zwischen den Leitblechen 12 im Ringraum 5 quer zu den Brennstoffstäben 6
in einer Spirale von unten nach oben oder beim dreifachen Durchgang des Kühlmittels
durch den Reaktor auch von oben nach unten. Das Leitblech 12, das mit den Kühlkanalwänden
4 und 7 fest verbunden ist, gibt dem Brennstoffbündel eine zusätzliche Steifigkeit.
Außen und innen schließt sich an die Kühlkanalwand jeweils der Isolierspalt 3 und
8 an. Vom Moderatorraum 1 bzw. 10 sind die Brennstoffstäbe durch Zirkonrohre 2 bzw.
9 getrennt. In dem inneren Moderatorraum 10 ist das Zuführungsrohr 11 für
das kältere Speisewasser untergebracht. Das Rohr 9 ist an seinem oberen Ende geschlossen,
wodurch der innere Moderatorraum 10 nach oben zum Dampfraum des Reaktors hin abgeschlossen
ist. Die Brennstoffstäbe 6 bestehen beispielsweise aus angereichertem U02 in Form
von gepreßten und gesinterten Tabletten. Jeder Brennstoffstab ist mit einer Hülle
aus korrosions- und zunderbeständigem Stahl (etwa 0,12% C, 0,5% Si, 1,5% Mn,
25% Cr, 20% Ni) umgeben. Durch die Anordnung der Brennstoffstäbe in einem
Ringraum wird erreicht, daß eine größere Anzahl von Brennelementen als in den bisher
üblichen Bündeln aus sieben Elementen zusammengefaßt werden können. Hierdurch wird
der Elementwechselvorgang zeitlich verkürzt, und die Bündel bekommen eine handlichere
Größe, so daß sie mechanisch stabiler werden.
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Durch das Brennelement nach der Erfindung werden lokale Temperaturüberhöhungen
fast ganz ausgeschaltet und der Wärmeübergang wird durch die Queranströmung erheblich
verbessert, so daß die maximale Heizflächenbelastung bei dreifachem Kühlmitteldurchlauf
nur noch durch die maximal zulässige Brennstoffstabinnentemperatur begrenzt ist.
Hierdurch wird eine erhebliche Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades
des Reaktors erreicht.