DE1539994B2 - Brennelementbündel für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelementbündel für Kernreaktoren mit einer Vielzahl von stabförmigen Brennelementen, die von einem gemeinsamen, ein Kühlmittel führenden Hüllrohr umgeben sind, wobei im Brennelementbündel, über den Hüllrohrquerschnitt gesehen, Sektoren unterschiedlichen Strömungswiderstandes vorhanden sind.

Die nach den Randzonen eines Kernreaktors hin abfallende Wärmeabgabe der Brennelementbündel infolge einer im Vergleich zum Spaltzonenzentrum geringeren Spaltrate wird in bezug auf die Kühlmittelerwärmung meist dadurch ausgeglichen, daß der Kühlmittelstrom in diesen Brennelementbündeln entsprechend gedrosselt wird.

Diese nach außen abfallende Wärmeabgabe macht sich jedoch darüber hinaus auch im einzelnen Brennelementbündel bemerkbar, so daß z. B. die Seitenwände des Hüllrohrs unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dies kann zu unerwünschten Verkrümmungen des ganzen Brennelementbündels oder — wenn die Wärmedehnung z. B. durch Führungen oder Anschläge gehemmt wird — zu erheblichen Materialbeanspruchungen führen.

Um diese Verkrümmung zu beseitigen bzw. die Wärmespannungen abzubauen, wurde bereits vorgeschlagen, das Brennelementbündel in Abstand mit einem zweiten Mantel zu umgeben und ein Teil des Kühlmittels durch den so entstandenen Ringraum zu leiten, wobei Strömungsleitkörper den Kühlmittelfluß eine Horizontalkomponente zum Ausgleich unterschiedlicher Seitenwandtemperaturen aufzwingen (Bericht APDA — 128, S. 21). Diese Maßnahme bedingt jedoch einen zusätzlichen, konstruktiven Aufwand und vermindert außerdem die spezifische Volumenleistung des Reaktors.

In der DT-AS 10 43 529 ist ein Brennelement beschrieben, das eine mehrfache Folge von Querschnittsänderungen in Strömungsrichtung aufweist. Diese sind jedoch so angeordnet, daß keine wendelförmig verlaufenden Sektoren unterschiedlichen Strömungsquerschnittes entstehen. Dadurch wird das Kühlmedium in einem Kühlkanal in schraubenförmige Drehung versetzt, was der schraubenförmigen Umströmung eines einzelnen Brennstoffstabes entspricht.

Aus der DT-AS 11 59 572 ist ein Brennelementbündel bekannt, welches schräg gegeneinander eingesetzte Stäbe enthält, die in einen Kasten eingebracht sind. Das Brennelementbündel weist in seinem Querschnitt über die Stäbe hinweg keine Sektoren unterschiedlichen Strömungswiderstandes auf.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat nun die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Brennelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem eine schraubenförmige Durchströmung des Brennstabbündels ohne konstruktive Mittel ermöglicht wird und bei welchem die spezifische Volumenleistung weitgehend erhalten bleibt.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß benachbarte Brennelemente in an sich bekannter Weise in Richtung der Brennelementbündelachse in vorgegebener Folge ihren gegenseitigen Abstand verändernde Kröpfungen aufweisen, daß die Brennelemente in den einzelnen Sektoren in unterschiedlichem Abstand angeordnet sind und die Längsachsen der Brennelemente entlang zugeordneten Längsmantellinien verlaufen, sowie diese durch die Kröpfungen schneiden bzw. berühren und daß somit die Sektoren — bezogen auf die Brennelementbündelachse — wendelförmig verlaufen. Auf Grund des wendelförmigen Verlaufes der Sektoren und des sich in allen Querebenen stets ausgleichenden Kühlmitteldrucks ergibt sich auch eine wendeiförmige Durchströmung des Brennelementbündels, so daß ein Temperaturausgleich ermöglicht wird, durch den Verformungen bzw. Spannungen im Brennelementbündel weitgehend verhindert werden. Da dies ohne besonderen zusätzlichen konstruktiven Aufwand erfolgt, bleibt die spezifische Volumenleistung weitgehend erhalten.
Zusammengefaßt stellen sich die mit der Erfindung verbundenen Vorteile in etwa wie folgt:

Die Erfindung zeigt ein Brennelement für einer Kernreaktor, der aus einer Vielzahl stabförmiger Einzelelemente besteht, die von einem gemeinsamen Kühlmittel führenden Hüllrohr umgeben sind. Dabe sind die stabförmigen Einzelelemente in unterschiede ehern gegenseitigem Abstand angeordnet und bilden — bezogen auf einen Brennelementquerschnitt — Sekto ren, in denen sie eng beieinander liegen und dadurci einen relativ hohen Strömungswiderstand für das Kühl mittel haben, und Sektoren, in denen sie weit auseinan der liegen und dadurch einen niedrigen Strömungs widerstand für das Kühlmittel haben. Einzelelement weisen in vorgegebenen Abschnitten ihren gegenseit;

gen Abstand ändernde Kröpfungen auf, diese Kröpfungen sind so angeordnet, daß die Sektoren niedrigen Strömungswiderstandes, in denen die Einzelelemente weit auseinander liegen, wendelförmig die Längsachse des Brennelementes umlaufen. Die Brennelemente sind dabei so gekröpft, daß jedes Einzelelement um eine zugeordnete Längsmantellinie des Brennelements pendelt, wobei die Stärke der Kröpfungen nach den Randzonen der Sektoren bildenden Einzelelementen hin zunimmt. Auf diese Weise läßt sich der Vorteil erzielen, der darin besteht, daß einerseits eine schraubenförmige Durchströmung des Brennelementes erzielt wird und andererseits die spezifische Volumenleistung erhalten bleibt.

Einzelheiten der Erfindung werden beispielsweise an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Brennelementbündel schematisch im Längsschnitt,

F i g. 2a bis 2g mehrere Querschnitte entsprechend den Linien a-a bis g-g \on F i g. 1,

F i g. 3a und 3b je einen Ausschnitt einer abgewickelten Mantelfläche eines Brennelementbündels mit gekröpften Brennstoffelementen.

Wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht, besteht das Brennelementbündel aus einer Vielzahl von stabförmigen Brennstoffelementen 1, die von einem ein Kopfstück 2 und ein Fußstück 3 tragenden, sechseckigen Hüllrohr 4 umgeben sind. Jeder Brennelementquerschnitt ist in vier Sektoren 5a, 5b, 6a und 6b aufgeteilt.

Dabei werden zwei sich symmetrisch gegenüberliegende Sektoren 5a, 5b hohen Strömungswiderstands von Brennstoffelementen gebildet, die in geringem Abstand voneinander angeordnet sind, während die beiden anderen Sektoren 6a, 6b geringen Strömungswiderstands in großem Abstand angeordnete oder gar keine Brennstoffelemente aufweisen.

Dabei pendeln die Kröpfungen Ta bzw. Tb der Brennstoffelemente um je eine Längsmantellinie (strichpunktierte Linie), wobei die stärksten Verformungen an den Randzonen der Sektoren auftreten. Es entstehen so zwischen den Kröpfungsbereichen abwechselnd Abschnitte großen und kleinen Strömungswiderstands, die stufenförmig etwa in Richtung der Pfeile A verlaufen.

In der F i g. 3b sind mehrere Brennstoffelemente 1 dargestellt, die in vorgegebenen Abständen gleichsinnig gerichtete Kröpfungen 7 aufweisen. Durch die Kröpfung eines Brennstoffelementes wird dabei ebenfalls der Abstand zu einem benachbarten Brennstoffelement verringert, während der Abstand zum anderen benachbarten Brennstoffelement an dieser Stelle entsprechend größer wird.

Die so geschaffenen wendelförmig umlaufenden Sektoren geringen Strömungswiderstandes verlaufen etwa in Richtung der Pfeile A, wenn das betreffende Brennelementbündel in Pfeilrichtung B von dem Kühlmittel angeströmt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennelementbündel für Kernreaktoren mit einer Vielzahl von stabförmigen Brennelementen, die von einem gemeinsamen, ein Kühlmittel führenden Hüllrohr umgeben sind, wobei im Brennelementbündel über den Hüllrohrquerschnitt gesehen, Sektoren unterschiedlichen Strömungswiderstandes vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Brennelemente (t) in an sich bekannter Weise in Richtung der Brennelementbündelachse in vorgegebener Folge ihren gegenseitigen Abstand verändernde Kröpfungen (7) aufweisen, daß die Brennelemente (1) in den einzelnen Sektoren (5a, 56 bzw. 6a, 6b) in unterschiedlichem Abstand angeordnet sind und die Längsachsen der Brennelemente (1) entlang zugeordneten Längsmantellinien verlaufen, sowie diese durch die Kröpfungen (7a bzw. 7b) schneiden bzw. berühren und daß somit die Sektoren — bezogen auf die Brennelementbündelachse — wendelförmig verlaufen.

2. Brennelementbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kröpfungen (7a, 7b) nach den die Randzonen der Sektoren (5a, 5b, 6a, 6b) bildenden Brennstoffelementen (1) hin zunimmt.

3. Brennelementbündel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in jedem Brennelementquerschnitt Sektoren gleichen Strömungswiderstands symmetrisch gegenüberliegen.

4. Brennelementbündel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd Sektoren großen und kleinen Strömungswiderstands vorgesehen sind.

5. Brennelementbündel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Sektoren in Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels abnimmt.