DE1589849B2 - Brennstoffbündel für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffbündel für Kernreaktoren mit einer Anzahl von in einem quadratischen Raster angeordneten Brennstoffstäben, die von einem Strömungskanal mit quadratischem Querschnitt umgebeiEsindj; wobei die Enden der Brennstoffstäbe an eihef;1pberen und an einer unteren Ankerplatte^ befestigipfsind;i die' untere Ankerplatte einen ebenen^^ PlattenteU aufweist^der mit Aufnahme-Öffnungen für die Brennstbffstäbe und mit öffnungen versehen ist, durch die kühlmittel, hindurchfließen kann, die untere Ankerplatte weiterhin ein erstes Wandstück mit quadratischem Querschnitt aufweist, das am Rand des Plattenteils. befestigt ist und die untere Ankerplatte; schließlich" noch ein zweites Übergangswandstück aufweist, das mit dem ersten Wandstück mit quadratischem Querschnitt verbunden ist, wobei das-zweite Übergangswandstück konisch zusammenlaufend ausgebildet ist und den Übergang von dem quadratischen Querschnitt zu einem kreisförmigen Querschnitt vermittelt und wobei das kreisförmige Ende des zweiten Übergangswandstücks einen Einlaß für den Kühlmittelstrom zu den öffnungen bildet. ■ ' ; j ;

Bei der Kernspaltung werden bekanntlich große

ίο Energiemengen freigesetzt. DabeLwird die kinetische Energie der Spaltprodukte sehr rasch als Wärme im

:,; Kernbrennstoff· vernichtet. Die Wärme wird dann durch ein kühlmittel abgeführt, das am Kernbrennstoff vorbeifließt. .';

Um die Kernspaltung mit einer Geschwindigkeit ablaufen lassen zu können, die die Erzeugung verwertbarer Wärmemengen gestattet, werden heute Kernreaktoren konstruiert und betrieben, in denen. das spaltbare Material in Brennstoffelementen untergebracht ist, die als Platten, Röhren oder als Stäbe ausgebildet sind. Der Zweckmäßigkeit halber sollen daher die Brennstoffelemente nachfolgend als Brennstoffstäbe bezeichnet werden:! Solche Brennstoffstäbe weisen üblicherweise eine korrosionsbeständige Brennstoffhülse auf, die weder spaltbares noch brütbares Material enthält. Die Brennstoffstäbe werden in vorgegebenen Abständeri^: voneinander in Gruppen angeordnet und als Brennstoffbündel in einen Kühlmittelkanal eingesetzt. Zum Aufbau des Reaktorkerns, in dem die Spaltungskette von selbst weiterläuft, ^: werden eine ausreichende Anzahl solcher Brennstoffbündel zusammengefaßt. Der Reaktorkern wird üblicherweise in einen Reaktorkessel eingesetzt. '-Bei der Auslegung von Kernenergieanlagen werden erhebliche Anstrengungen unternommen, die Größe bzw. die Abmessungen des Reaktorkessels zu vermindern, da dadurch erhebliche Kosten eingespart,, werden können. Die .Verringerung der Kesseldimensionen wird ganz allgemein durch die Verkleinerung verschiedener Bauteile ermöglicht, die. innerhalb des Kessels angeordnet werden sollen.'Hierfür

,^,kommen im besonderen diejenigen Bauteile in Frage,

f aus denen der Reaktorkern aufgebaut ist. Man kann , also beispielsweise versuchen, die Anzahl und die Länge der .Brennstoffbündel zu. verringern, zu denen

^yäücKfeine untere^ Ankerplatte gehört, die ein inte-

graler Bestaridteilf eines Brennstöffbündels ist. Da

S -dieuntere /Ankerplatte einmal die Brennstoffstäbe haltert und zum anderen als Strömungseintritt für

die Moderator- und Kühlflüssigkeit dient, muß jedoch darauf geachtet werden^ daß eine solche Verringerung der Abmessungen der unteren Ankerplatte keine störenden Einflüsse 'aüjTdie. Strömungsverhältnisse oder auf andere Funktionen hervorruft.

η : In der USA_;-Patentschrift;3J.63 585 ist beispielsweise ein Kernreaktor^ m^

beschrieben^ das 'an semeJmtunteren Ende eine rohrförmige Verringerung': besitzt|", die; einen Kühlmitteleinlaß bildet^ Dab"ei|:is'tt jedochWeini kegelförmiger

Übergang mit einemiEiritntfey^inkel (dieser Winkel wird zwischen der Läng^achseTdes Brennstoffbündels und der Wand des- Strömungskanals gemessen) von etwa 90° angegeben, so daß die Gefahr besteht, daß sich die Strömung von dein .Wänden ablöst und außerdem Dampfblasen in dem Moderator bzw. im Kühlmittel gebildet werdend Da der Wärmeübergangskoeffizient solcher Dampfblasen erheblich kleiner als der Wärmeübergangskoeffizient im Kühlmittel

ist, besteht die Gefahr, daß der untere Teil der Eckstäbe eines Brennstoffbündels überhitzt wird.

Weiterhin ist in der USA.-Patentschrift 3 158 543 ein Kernreaktor ί mit einem Übergangsstück beschrieben, dessen Funktion dahingehend angegeben ist, daß es für einen Strömungsübergang von einer runden auf eine rechtwinklige Fläche am Brerinstoffbündel^: sorgen soll, wobei eine gleichmäßige Strömungsverteilung auf alle' Kühlmittelkanäle sichergestellt sein soll."Zu diesem Zweck ist das bekannte Übergangsstück so lang wie praktikabel, um die Strömungsverteilung zu verbessern. Dadurch wird jedoch das Brennstoffbündel stärk verlängert. '^:

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, zur Verkürzung der Reaktorgesamtlärige und unter Aufrechterhaltung günstiger Strömungsverhältnisse die Länge der unteren Ankerplatte zu verkürzen/ ^; ; :: : pi : .?

Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffbühdel der eingangs genannten Art erfindüngsgernäß dadurch gelöst; daß der maximale Neigungswinkel zwischen der Längsachse des Brennstoffbündels und^: der Wand des^; Strömungskanals, unter dem das Übergangswandstück konisch zusammenlaufend '· ausgebildet ist, im Bereich von etwa 40 bis 50° liegt. ' ^;; -·■'■

Gemäß einem weiteren¹ Äusfürirungsbeispiel ist an das Ende des Übergangswandstücks mit kreisförmigem Querschnitt ein kurzes zylindrisches Wandstück angesetzt. Vorteilhafterweise wird dabei durch drei von dem kurzen zylindrischen Wandstück ausgehende gekrümmte Teile eine Nase gebildet, deren andere Enden in einem gemeinsamen Punkt verbunden sind/ '■'■'■'}.' ^: ■,■■■■■'■■ ;.;■■■■■"■ ·'

Ferner kann vorzugsweise die Außenwand des Übergangswandstücks dort als konischer Sitz äusgebildet sein, wo der Querschnitt des Übergangswändstücks kreisförmig ist. ^: ■■'■ '"---

Mit einem Brennstoffbüridel gemäß der Erfindung sind insbesondere die^: Vorteile erzielbar, daß die untere Ankerplatte -erheblich verkürzt wirdj ;das Brennstoffbündel trotzdem unter allen auftretenden Betriebsbedingungen zuverlässig gehaltert und außerdem eine Ablösung der Strömung von den Wänden des Strömüngskänals vermieden wird. Da eine'Ablösung" der Strömung von den Wänden nicht mehr auftritt, werden alle Brennstoffstäbe, also auch die Eckstäbe des Bündels, ausreichend gut gekühlt, und außerdem ist die Moderatorwirkung an allen Stellen im Bündel ausreichend gut.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Kernreaktoranlage I mit einem Reaktorkessel, in dem Brennstoffbündel j nach der Erfindung verwendet werden können;
j F i g. 2 zeigt perspektivisch und teilweise geschnitj ten ein Brennstoffbündel mit einer unteren Ankerplatte nach der Erfindung;

F i g. 3 ist eine Draufsicht auf die untere Ankerplatte an der Linie 3-3 aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab; -

F i g. 4 ist ein Schnitt durch die untere Ankerplatte längs der Linie 4-4 nach Fi g. 3; ' _r

F i g. 5 zeigt- das untere Ende der unteren Ankerplatte in vergrößertem Maßstab;

F i g. 6 ist ein Schnitt durch die untere Ankerplatte längs der Linie 6-6 in Fig. 3;

F i g. 7 zeigt schematisch die untere Ankerplatte sowie den größtmöglichen Eintrittswinkel für die

Strömung; ."

Fig. 7 A ist eine Endansicht der unteren Ankerplatte in Richtung der Pfeile 7 A-7.A in Fig. 7; " F i g. 8 zeigt schematisch einen Schnitt' durch die untere Ankerplatte mit einem Strörhurigseintrittswiri^ kel, der für einen zufriedenstellenden Reäktörbetrieb zu groß ist; '^;^^f ■ ,. ^ίί;: ■ ψ'^ν:Λ''^-'. ^::ΐ^;;ί"^:-'^;-·^:. ^;\ •Fig. 8 Ä ist eine Endansicht der unteren Ankerplatte in Richtung der Pfeile 8 A-8A in F i g: 8;

Fig. 9 ist ein schematicher Schnitt durch die untere Ankerplatte und zeigt den- kleiristmöglichen. Wert für denStrömuhgseintrittswinkel,;der für den Reaktorbetrieb' noch zulässig' ist;¹ bei dem aber die Länge . der Ankerplätte und^; Somit des Brerinstoffbündels zu groß wird; ^*^³⁷' ί:^;:..: :;■■;; .-:■.· ^: F i g. 9 A · ist; eine; Endansicht der unteren Ankerplatte hi Richtüng^:der Pfeile 9Ä-9 A^: in Fig: 9. ^;

■ In Fig. 1 ist schemätisch eine"Kernreaktoranlage dargestellt,' in der die Brerinstofltuhder nach' der Erfindung verwendet werden'',können·-'Sie .können⁵ je? doch^; auch bei verschiedenen¹ anderen Kernreaktoren angewendet werden, also beispielsweise bei^: Wassermoderierten 'Reaktoren, bei^£ Schwerwasser-moderierten und Gräphit-rhodenertetr?Reaktoren; bei Orgä¹ nisch- oder Natrium-rnpdelrierteri;;^; Reaktoren; Die Brerinstöffbündei^r gemäß- der Erfindung sind ebenfalls auf solche Reaktoren^! anwendbar, die als Mode^ rator und Kühlmittel andere Medien verwenden. Zu Darstellurigszweckeri werden sie ίπί folgenden; in Verbindung mit einem Siedewasser-Reaktor 'beschrieben, da sich die erfiridurigsgemäßen Brennstoffbündel für Siedewässer-Reaktoreri ■■'■ als besonder^ zweckmäßig erwiesen haben. ;'^; ·; -■"■'-> ^r ■'

Die Kernreaktoranläge gemäß Fig. 1 weist einen Druckkessel 10 mit einem abriehnibaren Dom 12 auf, der durch Flansche 14 und 16 befestigt ist.⁵ Innerhalb des Druckkessels10 ist; ein ^Reaktorkern 18" angeordnet^ der mehrere senkrecht angeordnete Brennstoffbündel 20 aufweist. Jedes Brennstoffbündel besteht aus einer Anzahl von langen Brennstoffstäben, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet und mit Hilfe von oberen und unteren Ankerplatten gehaltert sind, die mit öffnungen versehen sind, durch die das Kühlmittel hindurchströmen kann. Jedes Brennstoffbündel ist mit einem offenen Strömühgskanal versehen, der die Brennstoffstäbe umgibt.

Durch den Boden 23 des Reaktorkessels sind eine Anzahl von Rohrstutzen 22 hindurchgeführt und dort verschweißt, durch die die Antriebsstangen für die Steuerstäbe hindurchführen. Auf die oberen Enden der Rohrstutzen 22 sind eine Anzahl von Führungsrohren 24 aufgesetzt, die mit ihren unteren Enden an den Rohrstutzen 22 verschweißt sind und von ihnen getragen werden'. Die oberen Enden der Führungsrohre 24 sind in seitlicher Richtung durch eine untere Gitterplatte 26 festgelegt. Das ' obere Ende eines jeden Führungsrohrs ist mit vier Sockeln ausgerüstet (nicht gezeigt)."^λ Außerdem ist jedes obere Ende eines Führungsrohrs mit einer kreuzförmigen öffnung versehen. Jedes Führungsrohr 24 trägt vier Brennstoffbündel 20. In jedem¹:der vier Sockel ist die'untere Ankerplätte 25 eines Bf ennstoffbündels eingesetzt:^! Jedes· Führiirigsrohr 24' ist mit Öffnungen 28 versehen/ die^ in der Nähe des^; oberen Röhrendes'liegen und die 'einmalmit^ dein Vorratsraum 30 und zum anderen¹ durclt^die'Sockel und die unteren AnkerplätterP hindurch mit-den' züge-

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hörigen Brennstoffbündeln in Verbindung stehen. platte 25 der Brennstoffbündel hindurch, tritt dann

;_; Die Steuerstäbe 32 sind gestrichelt dargestellt. Mit in die BrennstolTbündel ein und strömt die Kanäle diesen Steuerstäben 32 werden der gesamte Leistungs- der Brennstoffbündel entlang. Dann strömt dieses pegel und die örtliche Leistungsverteilung in dem Wasser durch die oberen Ankerplatten (68 in F i g. 2) Reaktor gesteuert. In jedem Führungsrohr ist ein 5 der Brennstoffbündel hindurch und gelangt in den kreuzförmiger Steuerstab angeordnet, der durch die Dom 27. Innerhalb der Strömungskanäle dient dieses kreuzförmige Öffnung im Führungsrohr hindurch- Wasser als Moderator und als Kühlmittel für die geht und zwischen den vier Brennstoffbündeln 20 Brennstoffstäbe. Es wird dabei zum Teil verdampft, auf- und abbewegt werden kann, die auf das Füh- so daß sich eine Dampf-Wasser-Mischung bildet, rungsrohr. aufgesetzt sind. Die Steuerstäbe werden io Der zweite Teilstrom, der gewöhnlich als Nebenmit Hilfe von Antriebsstangen 33 in den Reaktorkern strom bezeichnet wird und aus den restlichen 10 % hineingeschoben und: aus ihm herausgezogen, die des Wassers besteht, das aus dem Vorratsraum 30 durch die Rohrstutzen 22 hindurchlaufen. Die An- herausgepumpt wird, geht durch die ringförmigen triebsstangen 33 sind ebenfalls gestrichelt dargestellt. Öffnungen 59 hindurch; die zwischen den äußeren Die Antriebsstangen werden selektiv von einzelnen 15 Oberflächen an den oberen Enden der Führungs-Antriebsmechanismen betätigt (nicht gezeigt), die die rohre 24 gebildet sind. Dann durchsetzt dieser Teil-Stellungen der Steuerstäbe in dem Reaktorkern bestim- strom die zugehörigen Öffnungen in der unteren men. Wie ein solcher Antriebsmechanismus aufgebaut Gitterplatte 26. Dieser Teilstrom strömt durch diesein kann, der die Steperstäbe eines Reaktors der jenigen Zwischenräume nach oben, die sich zwischen hier, interessierenden Art auf-, und abbewegt, ist 20 den Außenseiten der Strömungskanäle der Brennbeispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 020 887 Stoffbündel und den Steuerstäben 32 befinden. Dann beschrieben. .;.. ,..,-._;,,._r;;,,..·-·__;..■__.■._:v.\.v. - ■;.....:; w:: gelangt dieser Teilstrom· durch Zwischenräume in

Innerhalb des Kessels ist ein Ringmantel 34 an- den Dom 27 hinein, die zwischen den oberen Enden geordnet, der den Reaktorkern 18 umgibt, derart, der Brennstoffbündel gebildet sind. Dieser Teilstrom daß sich' zwischen · dem Ringmantel 34 und der 35 dient dazu, die Steuerstäbe und die Strömungskanäle Kesselwand ein Ringraum 36 befindet. Vom Boden der Brennstoffbündel zu kühlen, so daß sich in diesen des Ringraums 36 wird Umwälzwasser als Moderator Gebieten kein Dampf bilden kann. Außerdem trägt und Kühlmittel von einer Pumpe 38 kontinuierlich dieser Teilstrom zur Moderatorwirkung des Wassers abgepumpt und in den Vorratsraum 30 gedrückt. innerhalb der Brennstoffbündel bei. Die Qualität, der

Während, des Betriebs eines typischen Siede- 30 Dampf-Wasser-Mischung, die durch die Vereinigung wasserreaktors wird im Kern 18 ein Dampf-Wasser- der beiden Teilströme im Dom 27 entsteht, beträgt gemisch erzeugt, das in den Dom 27 gelangt. üblicherweise etwa 10 %.

Von dort strömt das Dampf-Wassergemisch In der F i g. 2 ist ein Brennstoffbündel dargestellt,

in Dampfseparatoren 40 . ein. Dort wird der in dem die untere Ankerplatte 25 gemäß der Erfingrößte Teil des Dampfs von dem Wasser abgetrennt. 35 dung verwendet ist. Das Brennstoffbündel 20 besteht Der abgetrennte Dampf strömt in einen Dampf- ganz allgemein aus einem offenen rohrförmigen trockner 42 hinein,, der auf einen Ring 44 montiert Kanal 62, aus Brennstoffstäben 64, der unteren ist. Dort wird das restliche Wasser aus dem Dampf Ankerplatte 25, der oberen Ankerplatte 68 und aus entfernt. Der trockene Dampf aus dem Dampftrock- Abstandsstücken 70 für die Brennstoffelemente. Die ner wird an eine Turbine 46 weitergeleitet, die einen 40 Brennstoffstäbe 64 gehen durch die Abstandsstücke elektrischen^ Generator antreibt. Das .Wasser aus 70 hindurch, die sich an die Innenwand des rohrden Dämpfseparatoren 40 und dem Dampftrockner förmigen Kanals 62 anlehnen. Die ;■ Brennstoffstäbe 42 fließt nach unten und über den oberen Boden des sind an diesen Abstandsstücken gehaltert und sind Doms 27 radial, nach außen, dann durch die Separa- außerdem noch mit ihren Enden an der oberen und toren hindurch und in den Ringraum 36 hinein. Der 45 der unteren Ankerplatte befestigt, so, daß die Brenn-Wasserständ im Reaktorkessel ist durch.die unter- Stoffstäbe einen festen vorgegebenen Abstand vonbfochene Linie 50 angedeiitet. : . : ■ einander haben. Die Abstandsstücke der Brennstoff-

.,, Abdampf aus^ de^;Turbine 46 wird im Kondensor- stäbe sind ■ das. Brennstofftündel· entlang in yprgesunipf 52 kondensiert und-gesammelt. Das Dampf- gebenen Abständen angeordnet,;; die - beispielsweise kondensat wirdidurchein^ Pumpe 54 abgepumpt und 50 45 cm betragen können. Außerdem; sind; sie mit als^^Speisewasser, einem,Ringverteiler 56 zugeführt, so einem oder: mehreren·: Brennstoffstäben verbunden, daß diesesiSpeisewassier^mityem Wasser gemischt wird,; so daß sich- die;;.:Äbständssiückei in" Längsrichtung das. ausden!pampfseparäSbren4Ö_; und dem Dampf- ^; nicht; mehr, bewegen^ könnemuZum'* Verbinden der tröckner^23*stam^ Brennstoff stäbe, mit ,.,den;: Abstandsstücken gibt es

: aus dem^VqrraWaumJiOinachiobenj; darin.nachein-^55 verschiedeneTyiögÜchkeiten.·.Man kämv beispielsweise ahdVrfdürcH'^ einen oder;mehrere.Brenn^

die;!? O&mpts&paieiqTenAO^ dieji j^reV Kammer. 58 ^; ' lungsvorrichtungeri versehen;£diei den? gleichen Ab- ^n&;^eh\Rmgraum 3^enti^^ dann ..' standvönemander, habenif|sjj|i^|rig>h7. 3.%-ψ'ϊ■-#-

Ve^ymwälzi^üimpe 38 «zurückig Eso sieiir - «i JederiBrennstoffstab:i4|iweist |eine; langes Hülse fcm^daß id^\^s^^h?dürcjiv Stri^lpu^eni^; aufiidie s]paitbäres^Mäteriai;iwieibeispielsweise;an-.-umg^älzt"vyerdehjfönn^di^irn-Rmglrauiru36 '■gereichertes|Urandioxid WO^i■■ enthältiDas spaltbare

. ordnet «ηΐ ^J* i^;^^

^pasvWa^Mlausi-d^^o^ Dichte in dieBrennstoffhiiise^eirigepacktv so daß die

zvyei parallele "^Usjiröme ί unterteilt.; ^*-; ^ ^:-:.:;; ^ Pillen mit ihren Stirnflächenaufeinanderliegen. Man per'erete^eilstrom X^&X^A^ spaltbare: Material^aber: auch als Pulver

samten ,Wassers aus! dem. yorratsraum 30.. besteht,- oder Partikelchen von höher Dichte in die: Hülse strömt, nach«nande^du^^ obenin einbringen; und- es in defi. Hülse_; noch-einmal ver-

den Fiitirungsröhren 24, durch die untere Anker- dichten. Die beiden Enden der Brennstoffhülse sind

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verschlossen, so daß das-_; Kühlmittel; mit dem spalt- hindurchströmen können. Diejenigen Halterungen 94,V baren Material nicht in: Berührung kommen kann. die ■ am .Rand,des Plattenteils 82 : angeordnet sindv Außerdem können dann Spaltprodukte nicht: mehr sind zusammen: mit dem, oberen Ende¹ des/Wand^ aus der Hülse austreten. ;, . ■'·. .:■:.·:.·' Stücks 84 . aus einem· Stück;, hergestellt.; Diejenigen'

Die unteren Enden, der Brennstoffstäbe sind auf: 5 Halterungen94, die .im,Inneren !des\Plattenteils 82: die untere Ankerplatte -25. aufgesetzt und stimmen angeordnet sind; sind durch !eine Anzahl von'Stegen? mit Aufnähmeöffnuhgeh 72. überein, . die. in der 96 miteinander verbunden, mit denen: sie aus/einem Ankerplatte vorgesehen sind. Weiterhin .< ist :'die Stück hergestellt sind: Die;Stege96 sind: außen äri, untere; Ankerplatte mit Öffnungen.74 versehen, ,die den Halterungen 94"inr Winkelabständen von jeweils neben den Aufnahmeöffnungen 72 liegen;Und direkt io, 90° angeordnet.--Die .Halterungen.94sind rhit;den mit der unteren Einlaßöffnung 76 in Verbindung. Aufnahmeöffnungen 72 versehen, deren obere Känstehen^Das untere Ende des.rohrförmigen Kanals 62 ten .konischι abgeschrägt?sind,; so; daß die; ünteretii paßt nach unten um das obere Ende der. Ankerplatte Enden; der: Brennstoffstäbe; auf/.diesen konisch! ab?t herum. Das untere: Ende der Ankerplatte ist. äbge>: geschrägten; Kantend 'sitzen.*'DieV.offnungen7.4h die^ schrägt und weist einen konischen Sitz 78: auf,· der.. 15. am-Rand.des.Plattenteils 82 angeordnet sind, sihdj am besten in Fig.,4 zu sehen ist. Wenn das:Brenn-; ' zwischen !äußeren?.OberflächehiderjHälterüngenMj} stöffbüridel in den Reaktor eingesetzt ist, ruht dieser· der>Stege96 ündi;des:nWandstücks:84 ;gebildet.i'Di& Sitz auf einem der Sockel; die oben auf dem; Füh-i Öffnurigen;74;;r:die Sim Inneren -des._rPlattehteiis,82> rungsrohr24 gemäß Fig. 1 angeordnet-sind.! Das? angeordnet;sind^ysinchcvon·.^den/Außenflächerivdeivuntere Ende.der Ankerplatte ist weiterhin mit .einer: 20; Halterungen 94.-: und- der;. Stege 96 .umrahmt. Die? Nase 80 versehen,: die aus; drei gekrümmten Teilen'; mittlere Aüfnahmeöffnüng:-72'i weist; einen .tjuadjäT; besteht, die am Rand der öffnung 76 einen Abstand. tischen Querschnitt auf, in den ein., quädrätiscners von 120° haben und ganz unten, miteinander, yer-. Halterungsstifteingesetztwird;. !der unten äht: zenbündeil· sind: Diese Nase; erleichtert das. Einsetzen; tralen; Brennstoffstab angeordnet ist. ,Deri> zentrale! des Brennstoffbühdels in den Reaktorkern undr 25^ Brennstoffstab! ist; mit^yerriegelüngsyorrichturigen! schützt; außerdem das Brennstoffbündel. beim:Ein-: versehen, die; -in⁵'.Längsrichtung;: in::den , richtigen^ setzen. ;:.; -<x- ■,.:·■■. ...-., .;> !-.::;;. Ji^H Abständen angeordnet;sind .und an: den Abstandsr..

In den, F i g. 3 bis 6 sind Einzelheiten derunteren. stücken 70; ί des "Brennstoffbündels 8 aus ⁿFig; 2^: an4: Ankerplatte gemäß! der Erfindung dargestellt..; Oie greif en.: Wenn der. quadratische Halterungsstifti.des Hauptbestandteile dieser Ankerplatte¹ sind: ein ebener! 30., zentralen ',Brerinstoffstabs ,in'die,' quadratischeiAufri Plattenteil 82, der mit meinem, rohrförmigen: Wandr: nahmeöffnung/eingesetzt,ist, kann sichr.derr.zentralestück 84 verbunden ist.; Das rohrförmige Wandstück Brennstoffstab nicht, mehr; drehen^ so daß?die. Aba 84 geht in ein Übergangswaridstück86 über,_:-zu-..deni; Standsstücke70.1 fixierte bleiben.;;Eine?;Anzahl.;^ön auch der konische Sitz 78 gehört.' Das ,Übergängsf, Aufnahmeöffnungen; ■ wie;, beispielsweise./die;.Auf-; wandsfück86 geht unten in eine zylindrische Halte- 35 nahmeöffnungeri72", isindninit■■:>Gewinde .yersehefir rung 90 . überj von der die Nase 80 ausgeht.. Der_; in die^ Brennstoffstäbe, eingeschraubt werden; könneni= Strömungsweg ■: des, Moderators und :, Kühlriiittels die ebenfalls mifiGewinde! versehen sind. Auf;.diese; durch die\ untere ·. Ankerplatte; hindurch■ ist; der- Weise, ,können ;die;iobere/.-und; untere.1 Aiikerplättei folgende: Zuerst tritt die Strömung,durch" diejenigen' mechanisch miteinander verbunden werden. ..?;.j

öffnungen: in die untere Ankerplatte ein,, die-sich, 40 ■ Wie denFigi'^ und.,4:,zUientnehmett;istisistider zwischen den, gekrümmtenμ Teilen 102 der, Nase 80 Querschnitt des.; Wandstücks 84^^^iüm/wesehtlichenl befinden; Darauf hin strömt: die Flüssigkeit durch die, quadratisch. Dieses .Wandstück; ist/außencaniiseinerni zylindrische Halterung 90;-hindurch; Dann;igelangt; unteren^ cFeilumit vier ,Schultern 98j.yers;eiiten;j .Wie? die Flüssigkeiten das, Ubergangs\yandstück 86 hinein^ in .den Bi g.j2 und ,4;· dargestellt jsti;glej[.tetider Ströfei dessen Querschnitt.in Strörhungsrichtung größer_;wird,} 4s_? mungskanal 62 ₍über.; die.if äußerejijÖb.erflächei .de,Si Dortji wo dieStrörnung eintritt,; ist der. Querschnitt Wandstiicks 84^ Wenn; das iBrennstofÖiündelnzus.arnri des UbergangsWandteilg 86t.kreisförmig. rDertlQuefe rrierigesetzt und;der^^ ReaktoriinirBe.triebtgenpmfflens schnitte des ,iÜbergangswändstücks 86.?_;.läüft:,1 nach; ist; sinäiidie.jAbmessüngeriTiundi.die; Ausdehniüirtgs,-=] außen , auseinander; und ■; geht; in-demjenigen Gebiet eigenschaften; ^derfi^erschigderien^ijEinzeiteileuidesj in feinen, ,quadratischen^: .Querschnitt ■■ über,L in·;dem; so._; Brennstoffbündels so^ gewählt_i;daß; Äie .untereiKante/ das: -Übergarigswandstück 8'6r_;: an:;!■■> das■<:.. rohrförmig&, des; Strömungskanals: 62>mit; dertnSchultern 9^fciiieht) Wandstuck 84 iäiischließt; 'Nun,".strqmt die! Flüssigkeitj iriiBer.ühfung;kornmt./Die5^uitern 98^^ dienen daherj durchfVdas.vrrohiförrnige·;! Wandstück 84 ;hiridürph^ für_;tden ;Sttömungskanal:62;:alsjvHi]fsan^ dessen»;'Querschnitt;};durchweg jjgleichi^rmigj^ynd! zurniTragenj-lcpmmeni :wenn_;dii^^lÖpdik quadratischt\ist.b Schließlich,-strömt.rdie;> Flüssigkeit 55- werden^ die, übern^joibere^ durch^die; Öffnuiigen 74; desj flache.ni;Plattenteils:;82; gelegt sindj da iü;diesem. Fall der gj

hindurch;iurid> tritt, in_: denyStrpmungskaä&i 6Z,bdesi nachiunten gleiten würäej,Es? gei,bemerkt^, daß₍.(iie,] Brennstoffbündeisi einii;wie^-.es:tin,;F;ig,?2 dargestellt! Strecke A (sigheiF.igi.^jjdie .untereijQrenz^de^enijg istifrü ü*b ,fift.iii! , irsnrliniftdi^d üHÜhnioii'itfiOiü .-job gen Entfernung darstellt, übertjdie sichjda|_fiunteie;₅ -) Wie'aus ,:d[eni;Fi;g_fi; 3. uhd):.4_Phejcyorgeht,- .istider, 695 ^ndei.des^StrörnungskarialSiöJ ^urjdj d(asj pbere^Ende Umfang«.des;Plattenteils 82fin)j wesentlichen quadrati deSjiWaridsJtücks84, ϋ%,Γΐ3ρρ6η;5θίΐ6η.;Ρϊε8ε,§, js^jiot^ tisch. .Aufetdemisinddie^uhtere und; die^bere; ;F.läche^ w.endigviUrr^rNebens^ömm des;;PlattenteilsJiieb.eniaüsgebildet.5DJer) Piattenteij, Brer|nstoffbündels ziyiijiYprräsjaum.SO^m 82,ist;niit;den' Äufrianmeöffnungen:7^ yerselien^in;, kessel zii^varmeldenj^pi^Strecke^auf/^ denen dieiBieimstoffstäbensitzeniii.Diese/.AufnahmeT') 65,·.Stiromungskanaloi^^und^fidas^i^ öffnungen. 72i beenden sich iff Halterungen g4.rAüßerr/ lappen,; beträgt y9rzugs^eise_;Se^a¹r g,5;C;rn/ ^&nji^ak dem; ist-» deC!iPlattenteilr82brni;t ;öffriungen;74._;yej_?/ Spie;]» in3j;Urnfangsricritung₂ ;Ζ^ϊ8ςΗεη;^,4εΓ »innerenr sehen, durch die den..Mpde!ratör.i un4;:dasJjKuhlrnjtt.el'" Fiäche desjSirömungskanälSio^h,^^

Fläche des Wandstücks 84 etwa 0,25 mm beträgt. Wenn der Reaktor in Betrieb genommen und von einer Temperatur von etwa 20° C auf eine betriebliche oder heiße Temperatur von etwa 285° C aufgeheizt wird, ist die Ausdehnung des Strömungskanals 62 etwa 1 cm größer als die Ausdehnung der Brennstoffbündel. Das ist durch die Strecke B und durch die gestrichelten Linien in F i g. 4 gezeigt. Die Strecke C beträgt etwa 7,5 mm. Dieser Abstand wird vorgesehen, um zu vermeiden,; daß sich bei der Addition der Toleranzen des Brennstoffbündels die untere Kante des Strömungskanals 62 auf die Schulter 98 der- unteren Ankerplatte auflegt. Die äußere Oberfläche des Wandstücks 84: hat einen quadratischen Querschnitt, so daß der Strömungskanal 62 ^:über das Wandstück 84 geschoben werden kann. Auch der; Querschnitt der Innenfläche des Wand-Stücks 84 ist quadratisch; so daß sämtliche Brennstoffelemente von der Strömung erfaßt werden können, die in einem praktisch quadratischen Raster angeordnet sind,· wie es am besten aus den Fig. 2 und 3i hervorgeht/ ■·-:..:.· ■·>■ _ : - ■' _: ;'' .·:.;■ Die Wanddicke des Übergangswandstücks 86 ist überall gleich, wie es am besten aus den F i g. 4 und 6 hervorgeht. Das Übergangswandstück läuft nach unten zusammen und stellt den Übergang zwischen dem quadratischen Querschnitt am unteren Ende des Wandstücks 84 und dem kreisförmigen Querschnitt am oberen der zylindrischen Halterung 90 her. Die Größe des Winkels, mit dem das Übergangswandstück nach unten zusammenläuft, ist eine kritische Größe. Das wird noch im einzelnen erörtert. ; Der konische Sitz 78 ist am unteren Ende des Übergangswandstücks 86 eingearbeitet. Dieser Sitz 78 legt das Brennstoffbündel in senkrechter und in waagerechter Richtung fest, wenn das Brennstoffbündel auf das obere Ende eines Führungsrohrs 24 im Reaktor aufgesetzt ist, wie es in Fig. 1 dargestellt

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Die zylindrische Halterung 90 geht vom unteren Ende· des Wandstücks 86 aus; Die zylindrische Halterung 90 trägt zur effektiven Länge des Brennstoffbündels nichts bei, wenn das Brennstoffbündel im Reaktor eingesetzt ist, da die zylindrische Halterung 90 in die Sockel eingesetzt wird, die am oberen Ende eines Führungsrohrs 24 aus F i gi 1 angeordnet sind; Die zylindrische Halterung 90 dient hauptsächlich dazu; das Brennstoffbündel in Querrichtung zu fixieren! wenn während des Reaktorbetriebs nennenswerte! Schwingungen auftreten oder? Querkräfte auf das''' Brennstoffbündel ausgeübt" werden: ^;?Wie am besten hi den Fig; 4 bis 6 zu sehen istj) gehen vom unteren'" Ende der zylindrischen Halterungen 90 drei gekrümmte ΚοφβΓ 102 ab; die sich in einem gemeinsamen Punkt vereinigen und zusammen die Nase 80 bilden; Die Nase 80 dient dazüV das Brennstoffbündel beim Einsetzen in den Reaktor zu führen. Außerdem schützt¹ diese Nase; das Brennstoffbündel, wenn es äüf^! seinem Ende ruht.'

^; In den Fig. 7 bis 9 sind drei verschiedene untere 60' Ankerplatten dargestellt, die sich in ihrem Eintrittswinkel für die Strömung unterscheiden. Dieser Strömungseintrittswinkel -;^; bestimmt die Strömungseigenschaften des'Moderators und Kühlmittels, das durch did unteren Ahkerplatten^! hindurch" den Brennstoffstäben in dem Brennstoffbündel des Kernreaktors zugeführt wird; Die Fig. 7 und 7Ä zeigen einen Diägonalschhitt und eine Draufsicht auf die untere Ankerplatte nach der Erfindung. Die Fi g. 8 und 8 A zeigen einen Diagonalschnitt und eine Draufsicht auf eine Ankerplatte, bei der der Strömungseintrittswinkel zu groß ist. Die Fig. 9 und 9 A zeigen einen Diagonalschnitt und eine Draufsicht auf eine untere Ankerplatte, deren Strömungseintrittswinkel so klein ist, daß die Länge der Ankerplatte zu groß wird.

Der Winkel Q₁ der Ankerplatte nach Fig. 7 beträgt etwa 50°. Dies ist etwa der maximal zulässige Wert für den Strömungseintrittswinkel. Man sieht aus den Fig. 7 und 7 A,: daß sich die Strömung in den Ecken des Übergangswandstücks 86 der unteren Ankerplatte noch nicht ablöst, wenn die Geschwindigkeit des Moderators und Kühlmittels in der zylindrischen Halterung 90 etwa 4,5 m/sek beträgt. Eine Strömungsgeschwindigkeit von 4,5 m/sek ist etwa die maximale Strömungsgeschwindigkeit, die beim Betrieb eines typischen Kernreaktors auftritt. Daher werden alle Brennstöffstäbe, also auch die Eckstäbe, ausreichend mit Kühlmittel bzw. mit Moderator versorgt. Zusätzlich wird durch die Wahl des Winkels Θ j zu 50° die axiale Höhe I₁ des Ubergangswandstücks 86 der unteren Ankerplatte: merklich verringert, so⁵ daß auch die gesamte Höhe L₁ der unterem Ankerplatte abnimmt. Außerdem hat sich herausgestellt,'- daß bei der Verwendung eines Eintrittswinkels O₁ von etwa 50° übermäßig große Spannungen in' der unteren Ankerplatte nicht auftreten, so daß das Brennstoffbündel während des Einsetzens der Brennstoffbündel in den Reaktorkern und während aller Betriebsbedingungen zuverlässig gehaltert ist. Der Winkel Θ4, der in F i g. 6 dargestellt ist, beträgt etwa 40°. Dieser Winkel hat sich während des Reaktorbetriebs als zufriedenstellend erwiesen.

In der Fig. 8 ist schematisch eine untere Ankerplatte dargestellt, bei der der Strömungseintrittswinkel Θ₂ etwa 70° beträgt. Aus den Fig. 8 und 8 A geht hervor, daß sich die Strömung in der Nähe der Wandteile 86' der unteren Ankerplatte ablöst und daß sich an dieser Stelle Dampfblasen bilden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Moderator-! und des Kühlmittels in der zylindrischen Halterung; die gleiche ist, wie im Beispiel nach Fig/7. Ein großer Strömungseintrittswinkel Θ₂ führt auch auf einejungünstige Strömungsverteilung in den unteren Gebieten des Brennstoffbündels, da das Kühlmittel hauptsächlich durch die Mitte des flachen Plattenstücks 82 hindurchströmt. Daher fließt an den Eckstäben weniger Kühlmittel als an dem zentralen Stab vorbei} so; daß die Eckstäbe zu heiß werden können;IDie Ablösung der Strömung von^! den Wandteilen 86'· führt zur Bildung^" von Dampfblasen 104' in-1dein Kühlmittel, die einen merklich niedrigeren Wäfmeübergangskoeffizienten als das Kühlmittel in flüssiger Phase aufweisen. Dadurch können die Eckstäbe? in dem unteren Gebiet des Brehnstoffbündels überhitzt werden. Dieses ist aber ungünstig, da die Übef^-l hitzung der Brennstoffstäbe eine schnelle Zerstörung; der Brennstoffhülse herbeiführen kann, die unter; extremen Umständen sogar schmelzen kann. Außerdem ist eine Überhitzung- am;" unteren Ende "des' Brennstoffstabs auch deswegen? ungünstig; da dadurch so große Temperaturunterschiede zwischen dem unteren Hülsenende und dem Verschlußpfropfen entstehen können, mit dem die Hülse unten verschlossen ist, daß die Schweißnaht beschädigt werden kann, durch die die Brennstoffhülse mit dem Verschlußpfropfen verbunden ist. i ί ίκ^; ο

In der F i g. 9 ist schematisch eine untere Ankerplatte dargestellt, bei der der Strömungseintrittswinkel ©3 etwa 20° beträgt. Aus den F i g. 9 und 9 A geht hervor, daß sich die Strömung vom Übergangswandstück 86" der unteren Ankerplatte zwar nicht ablöst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in der zylindrischen Halterung die gleiche wie im Beispiel nach Fig. 7 ist, so daß alle Brennstoffstäbe, das heißt auch die Eckstäbe, ausreichend gut mit Moderator- und Kühlmittel versorgt werden. Aber aus einem Vergleich mit der Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Höhe I₃ des Übergangswandstücks 86" der

unteren Ankerplatte nach F i g. 9 merklich größer als die Höhe I₁ des Übergangswandstücks aus F i g. 7 ist und daß daher die Gesamthöhe L₃ der unteren Ankerplatte nach Fig. 9 zu groß wird.

Vorstehend ist also ein Brennstoffbündel für einen Kernreaktor beschrieben worden, dessen Höhe besonders klein ist, das außerdem eine ausreichende mechanische Festigkeit bietet und bei dem Störungen in den Strömungsverhältnissen für den Moderator

ίο und das Kühlmittel vermieden werden, durch die das Wärmeübergangsverhalten im Kernreaktor beeinträchtigt werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbündel; für Kernreaktoren mit einer Anzahl von in einem quadratischen Raster angeordneten Brennstoffstäben, die von einem Strömungskanal mit quadratischem Querschnitt umgeben sind, wobei die Enden der Brennstoffstäbe an einer oberen und an einer unteren Ankerplatte befestigt sind, die untere Ankerplatte einen ebenen Plattenteil aufweist, der_:,mit Aufnahmeöffriungeri für'die-Breilnstoffstäbe und .'mit; öffnungen versehen ist, durch die Kühlmittel hindurchfließen ; kann,;; die· untere ■·. Ankerplatte weiterhin ein. erstes Wandstück mit quadratischem Querschnitt'aufweist,'das am: Rand, des Plattenteils befestigt. ist_:,und die untere Ankerplatte schließlich' noch" "ein zweites' Übergängswandstück aufweist,- däsVmit dem ersteh--'Wändstück mit quadratischem Querschnitt verbunden ist, wobei das zweite Übergangswandstück konisch zusammenlaufend ausgebildet ist und den Übergang von dem quadratischen Querschnitt zu einem kreisförmigen Querschnitt vermittelt und wobei das kreisförmige Ende des zweiten Übergangswandstücks einen Einlaß für den Kühlmittelstrom zu den öffnungen bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Neigungswinkel (Θ) zwischen der Längsachse des Brennstoffbündels (20) und der Wand des Strömungskanäls, unter dem das Übergangswandstück (86). konisch zusammenlaufend ausgebildet ist, im Bereich von etwa 40 bis 50° liegt.

2. Brennstoffbündel nach: Anspruchs Ij da-' durch gekennzeichnet, daß an das Ende des Übergangswandstücks (86) mit kreisförmigem Querschnitt ein kurzes zylindrisches Wandstück (90) angesetzt ist.

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Nase (80), die durch drei von dem kurzen zylindrischen Wandstück (90) ausgehende gekrümmte .Teile: gebildet ist,; deren andere Enden in einem gemeinsamen Punkt verbunden sind. '

4. Brennstoffbündel nach,Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand des' Übergangswandstücks (86) dort als konischer Sitz ausgebildet ist, wo der Querschnitt des Übergangswandstücks kreisförmig ist.