DE2057294A1

DE2057294A1 - Kernbrennstoffbaugruppe fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2057294A1
Application number: DE19702057294
Authority: DE
Inventors: Calvin John Norman
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1969-12-31
Filing date: 1970-11-21
Publication date: 1971-09-02
Also published as: DE2057294C3; JPS515158B1; SE360768B; DE2057294B2; GB1260790A; ES386973A1; NL7019014A; CA918316A; CH519763A; US3663367A; FR2072154A1

Description

DIPL.-ING. H. MARSCH * Düsseldorf,

HNDEMANNSTKASSE 31

DIPL.-ING. K. SPARING postfach^t

PATENTANWÄLTE telefon (0211) Θ7224β

Beschreibung
zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. 06095/USA

betreffend:
"Kernbrennstoffbaugruppe für Kernreaktoren"

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffbaugruppe für Kernreaktoren.

Es ist bekannt, daß der Kernbrennstoff oder das spaltbare Material für heterogene Kernreaktoren üblicherweise in Form von Brennstoffelementen oder Brennstoffstäben angeordnet wird, die ihrerseits zusammengefaßt werden in dem Reaktor in Bündeln, welche Kernbrennstoffbaugruppen umfassen. Jeder Reaktor weist eine Anzahl solcher Kernbrennstoffbaugruppen auf, welche das Reaktorcore bilden. Das flüssige Moderatorkühlmittel - normalerweise Wasser strömt aufwärts durch das Reaktorcore in den Kanälen, die zwischen den Brennstoffelementen ausgebildet sind, um die Wärme abzuführen.

Eine der Betriebsbeschränkungen bei gegenwärtig gebauten Reaktoren wird bestimmt durch das Ansetzen eines Filmes von kochendem Kühlmittel an der Oberfläche eines Brennstoffelementes. Dieses Phänomen wird gewöhnlich qualitativ beschrieben als Auswandern vom punktweisen Siedezustand ("departure from nucleate boiling = DWB") und quantitativ in Termen des Betrages der Wärmeströmung, die vorliegt, wenn DNB eintritt (kritische Wärmeströmung oder "critical heat flux - CHF").. Dieser Zustand wird beeinflußt durch den Abstand der Brennstoffelemente voneinander, den Systemdruck, die Wärmeströmung, die Kühlmittelenthalpie und die Kühlmittelgeschwindigkeit. Wenn DNB auftritt, ergibt sicn ein rapider Anstieg

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3er Temperatur des benachbarten Brennstoffelements infolge des verringerten Wärmeüberganges, was zu einer Zerstörung des betreffenden Elementes führen könnte. IM deshalb einen gewissen Sicherheitsfaktor einzuführen, muß der Reaktor um eine bestimmte liarge unterhalb CHP und dem Punkt betrieben yerdsn, an-dam ElNB ·/ eintritt. Diese Marge wird als "thenaiscne uarg3^:i bezeichnet.

Kernreaktoren weisen normalerweise Bereiche in dein Core auf, die einen höheren Neutronenfluß und eine iiöhere Leistungsdichte P besitzen als andere Bereiche. Dies kann auf einer Anzahl von Faktoren beruhen, von der eine das Vorhandensein von Steuerstabkanälen in dem Core ist. Wenn die Steuerstäbe zurückgezogen sind, füllt sich der Steuerstabkanal mit Itoderator, was die ortliche Iloderierkapazität heraufsetzt und damit auch die Leistung erhönt, die in den benachbarten Brennstoffstäben erzeugt wird. In diesen Bereichen hoher Leistungsdichte, die als "heiße Kanäle'¹ bekannt sind, ergibt sich eine höhere Rate des Künimittelenthalpieanstieges als in anderen Kanälen. Es sind diese heißen Kanäle, welche die maximalen Betriebsdaten für den Reaktor bestimmen und die Leistung begrenzen, die erzeugt v/erden kann, da in diesen Kanälen die kritische thermische Marge zuerst erreicnt werden würde.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine auf die Brennstoffelemente zugerichtete Kühlmittelströiaung zu einem höheren Wert für die kritische Wärmeströmung führen kann, wahrscneinlich deshalb, weil eine solche Strömung die Ausbildung von Dampfblasen und überhitzten Wasserschichten verhindert, die man an Brennstoffelementoberflachen feststellen kann, kurz bevor die DNB bei Vorhandensein einer Parallelströmung auftritt. Es hat sich auch gezeigt, daß Mischflügel oder Ablenkeinrichtungen für die Strömung in den Kühlmittelströmungskanälen eines Reaktorcores die Kühlmitte Istroiuung aus verschiedenen Kanälen zu raischen vermögan und damit den Effekt der heißen Kanäle herabzusetzen vermögen. Diesem

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Mischen senkt den hohen Kühlmittelenthalpieanstieg in den heißen Kanälen und es mit sich bringt, daß der Enthalpieanstieg über den Corequerschnitt ausgeglichen wird. Beide Effekte bedeuten, daß der Reaktor mit einem höheren Leistungspegel betrieben werden kann, und immer noch eine genügende thermische Sicherheitsmarge eingehalten wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung^ses, eine Kernbrennstoff baugruppe für Kernreaktoren zu schaffen, deren Brennstoffelemente sich in Längsrichtung parallel zueinander erstrecken und im Abstand voneinander liegen, wobei Kühlmittelströmungskanäle zwischen den Elementen geschaffen werden, welche Kanäle Strömungsablenkeinrichtungen auf v/eisen, wobei eine Verbesserung erzielt werden soll hinsichtlich der Ablenkeinrichtungen derart, daß eine wirksame Störsiung der Kühlmittelströmung nahe den Brennstoffelementoberflachen erreicht wird, wie auch ein Mischen des Kühlmittels aus verschiedenen Kanälen, Die Ablenkeinrichtungen sollen von einfacher und kostengünstiger Konstruktion sein, insbesondere bezüglich ihrer Befestigung in der Baugruppe, so daß sie vorzugsweise gehalten werden von den Abstandsgittern, die normalerweise in Kernbrennstoffbauelementen vornanden sind. Dieses Problem wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Strömungsablenkeinrichtungen als konische Deflektoren ausgebildet sind, deren Spitze stromaufwärts gewandt und deren Basis stromabwärts gewandt ist und die zwischen den Brannstoffelementen gehalten sind.

Man erkennt, daß die Kühlmittelströmung in den Zentren des Kanals auf diese ueise ausgelenkt wird und auf- die Brennstoffelemente nahe dem betreffenden Deflektor zugerichtet wird. Ss wird noch erläutert werden, daß die Deflektoren in einfacher Weise in den Kreuzungsstellen von Gittern montiert werden können, die als Baugruppenabstandsgitter dienen.

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Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. l zeigt in Seitenansicht schematisch eine Brennstoff baugruppe ,

Fig. 2 stellt perspektivisch einen Ausschnitt aus

einer Brennstoffbaugruppe dar unter besonderer Berücksichtigung des Erfindungsgegenstandes,

P Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Brennstoffbau

gruppe von oben auf ein Abstandsgitter gesehen,

Fig-. 4 und 5 zeigen Ausschnitte aus den das Gitter formenden Elementen,

Fig. 6₇ 7 und 8 sind eine Ansicht von der Seite, von

oben und von unten auf einen massiven Deflektor gemäß der Erfindung,

Fig. 9, 10 und 11 sind entsprechende Darstellungen eines hohlen Deflektors gemäß der Erfindung,

Fig. 12 ist eine Explosionsdarstellung zur Erläuterung des Zusammenbaus des Deflektors nach Fig. 9, 10 und 11,

w Fig· 13 ist eine entsprechende Darstellung für eine abge

wandelte Ausführungsform, und

Fig. 14 ist ein Querschnitt durch den Deflektor und den

Gitterteil nach Fig. 13 in Relation zu den Brennstoffelementen.

Fig. 1 zeigt eine Kernbrennstoffelementbaugruppe 10 mit einzelnen Brennstoffelementen 12, die zusammengehalten und positioniert werden durch endseitige Fittings 14 und 16, sowie durch Abstandsgitter 18. Das Core eines Kernreaktors wird gebildet von einer

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Mehrzahl solcher Brennstoffbaugruppen und in solchen Brennstoffbaugruppen finden die Kühlmittelströmungsdeflektoren gemäß der Erfindung Anwendung. Das Reaktorkühlmittel, normalerweise Wasser, strömt aufwärts durch Öffnungen in dem unteren Endfitting 16 und parallel zu den Brennstoffelementen sowie durch das obere Endfitting 14. Diese Ivühlmittelaufwärtsströmung durch die Brennstoffbaugruppen soll durch die Deflektoren gemäß der Erfindung beeinflußt werden.

Die Kühlmittelströmungsdeflektoren sind montiert an Gitterabs tut ζ systemen, welche in Intervallen längs der Brennstoffbaugruppenlänge verteilt angeordnet sind. Diese Gitter können einzig und allein der Aufgabe dienen, die Deflektoren zu halten, wie in Fig. 2 dargestellt, oder sie können auch zusätzlich dazu dienen, die Brennstoffelemente zu halten und ihren Abstand voneinander zu gewährleisten, wie in Fig. 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt zwei Brennstoffelemente 12 und einen Deflektor 20, der an einem Gitteraufbau 22 montiert ist; der letztere besteht aus den Teilen 24 und 26. Der Deflektor 20 ist im allgemeinen pyramidenförmig und lenkt die Kühlmittelströmung vom Zentrum des Strömungskanals zwischen vier Brennstoffelementen nach außen in Richtung auf die Brennstoffelemente ab, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Diese Strömungsablenkung hat zwei Hauptwirkungen. Erstens unterbricht die Strömungsablenkung die Kühlmittelströmungsverhältnisse unmittelbar an der Oberfläche des einzelnen Brennstoffelementes. Damit wird angestrebt, den oben erläuterten DNB Zustand zu eliminieren. Es besteht ein allmählicher tibergang von puriktweisem Kochen zu dem Kochen mit einem stabilen Film und nicht etwa ein sprungweiser Übergang. Der kritische Wärmefluß wird erhöht, und es ist sogar schwierig, den kritischen Punkt herauszufinden infolge des allmählichen Überganges in der Siedecharakteristik. Zweitens wird mit der Strömungsablenkung angestrebt, das Kühlmittel, das in irgendeinem bestimmten Strömungskanal zwischen den Brennstoffelementen aufwärtsströmt, mit einer Kühlmittelströmung zu mischen,

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die in nahegelegenen oder sogar weiter entfernten Kanälen vorliegt. Dies hat die Wirkung, Unterschiede in der Kühlmitteltemperatur zwischen verschiedenen. Kanälen auszugleichen.

Fig. 3 erläutert die Erfindung in Anwendung auf ein Brennstoff elementabstandsgitter 18 _t und in der Figur ist ein Querschnitt von oben gesehen auf ein solches Gitter dargestellt. „Das Gitter weist Vorspränge 28 und Federn 30 in jeder Gittert masche auf, um mit den Brennstoffelementen 12 zu deren Abstützung zusammenzuwirken; nur ein Brennstoffelement 12 ist dargestellt. Natürlich ist das dargestellte Abstandsgitter nur eines von vislen bekannten Typen, bei denen die Deflektoren gemäß vorliegender Erfindung angewandt werden können.

Die Streifen 24 und 26, aus denen das Gitter ausgeoaut ist, sind im einzelnen in Fig. 4 und 5 dargestellt. Sie sind bei 32 bzw. 34 geschlitzt und diese Schlitze können nach Art von Eierkisten ineinander gesteckt werden, um so das Gitter auszubilden. Die Ausschnitte 36 nehmen die unteren Enden der Deflektoren. 20 auf, die in Fig. 2 angedeutet sind.

ψ Die Deflektoren können eine beliebige sich verjüngende Form besitzen, die nachfolgend als konisch bezeichnet ϊ/ird. Obwohl die Deflektoren beispielsweise eine Kaltzylinderform haben könnten, ist doch die bevorzugte Form die einer modofiziertan Pyramide, wie in der Zeichnung dargestellt. Der pyramidenförmige Deflektor 20 nach Fig. 6, 7 und 8 ist massiv mit Scnlitzen 38 und 40, in die die das Gitter bildenden Teile 4 und 5 eingepaßt werden. Das untere Ende 42 des Deflektors braucht nicht in eine scharfe Spitze auszulaufen, sondern kann abgestumpft sein. Der Deflector hat etwas konkave Seiten, wie in Fig. 2, 3, 7 und 3 angedeutet, uin so den Ringraum zwischen den Deflektoren 20 und den iironii:....-t-»ifolemcnten

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12 möglichst konstant zu halten, wie in Fig. 3 angedeutet. Dies wird dadurch erreicht, daß das Zentrum des Krümmungsradius der Konkavkrümmung dem Zentrum des nahegelegenen Brennstoffelementes entspricht. Die Deflektoren sind mit den das Gitter bildenden Teilen verschweißt, um sie so in ihrer Stellung zu sichern.

Fig. 9, Io und 11 zeigen eine abgewandelte Form eines Deflektors 44, der ebenfalls Pyramidenform besitzt, jedoch aus Blech besteht und nicht massiv ist. Diese Deflektor besitzt einen Schlitz 46 im unteren Ende zur Aufnahme eines der das Gitter bildenden Elemente sowie einen weiteren Schlitz 48 im oberen Ende zur Aufnahme des anderen Elements. Dieser Deflektor 44 ist mit flachen Seitenflächen dargestellt, könnte jedoch ebenso konkav ausgebildet sein wie der Deflektor nach Fig. 6, 7 und 8.

Fig. 12 zeigt den Aufbau der das Gitter bildenden Elemente 50 und 52, die zusammen mit den Deflektoren 44 benutzt werden. Diese Elemente haben Schlitze 54 und 56 für den Zusammenbau der beiden Elemente sowie Ausschnitte 58 und 60 entsprechend der Kontur des Deflektors 44, welche den Zusammenbau erlauben. Die Kanten

59 der Ausschnitte 58 'passen mit der Innenseite das Deflektors

am verjüngten Ende zusammen, während die Kanten 61 der Ausschnitte

60 mit der Außenseite des Deflektors nahe dessen Basis oder oberen Endes zusammenpassen. Die geraden Kanten 62 der Ausschnitte gestatten, daß die das Gitter bildenden Elemente in die Deflektorschlitze 46 und 48 eingefügt werden. Der Deflektor ist dann zwischen den das Gitter bildenden Elementen eingefangen, und man braucht sich nicht auf einen Schweißarbeitsgang zu verlassen, um den Deflektor sicher an seinem Platz 2u wissen.

Fig. 13 und 14 zeigen eine weitere Abwandlung des Erfindungsgegenstandes, bei der der Deflektor und die das Gitter bildenden Elemente für die Aufnahme eines Brennstoffelementafestanäs- und -halteringes 63 ausgebildet sind.

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Dieser Ring paßt in den vergrößerten ausgeschnittenen Abschnitt 64 in den Schlitzen 66 der das Gitter bildenden Elemente 68 und 70 und wirkt als eine Feder zur Abstützung der Brennstoffelemente 12, wie in Fig. 14 dargestellt. Die das Gitter bildenden Elemente 68 und 70 weisen Schlitze 72 und 74 auf, um sie nach Art von Eierkisten zusammenzrugen. Der pyramidenförmige Deflektor 76 besitzt Kanten 77 an den Stoßstellen zwischen benachbarten Seitenwandungen . Ein Abschnitt 78 jeder Seitenwandung an der Stoßstelle erstreckt nach auswärts parallel zu und im Abstand von dem benachbarten sich nach auswärts erstreckenden Abschnitt. Damit ergibt sich ein Zwischenraum zwischen zwei parallelen Abschnitten, in den eines der das Gitter bildenden Elemente paßt. Das Element 70 paßt nach unten in Schlitze 80 in den oberen Enden&weier einander gegenüberliegenden sich nach auswärts erstreckenden Abschnitten, während das Element 68 nach oben in Schlitze 82 in den unteren Enden der beiden anderen sich nach auswärts erstreckenden Abschnitte 78 paßt. Diese Konstruktion hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Abstandsring aus einem abweichenden Material als dem der das Gitter bildenden Elemente und dem Deflektor ausgebildet sein kann. Das bedeutet, daß dieser Ring 63 aus einem Material bestehen darf, wie beispielsweise dem im Handel unter dem Namen "Inconel" erhältlichen Stahl, der seine Federcharakteristik in befriedigendem Maße beibehält, währenddes Reaktorbetriebes, während andererseits die das Gitter bildenden Elemente und die Deflektoren aus einem Material wie beispielsweise dem im Handel befindlichen "Zircaloy" bestehen können, das einen niedrigeren Neutronenabsorptionsquerschnitt besitzt und die Neigung hat, bei Strahlungsbelastung etwas von der Federungswirkung einzubüßen.

(Patentansprüche)

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Claims

Patentansprüche

Dy Kernbrennstoffbaugruppe für Kernreaktoren, deren Brennstoffelemente sich längs parallel im Abstand voneinander erstrecken unter Ausbildung von Kühlmittelströmungskanälen zwischen den Elementen, welche Strömungskanäle Strömungsablenkeinrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsablenkeinrichtungen als konische Deflektoren ausgebildet sind, deren Spitze stromaufwärts gewandt und deren Basis stromabwärts gewandt ist und die zwischen den Brennstoffelementen gehalten sind.
2) Kernbrennstoffbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Deflektoren für die Ablenkung der Kühlmittelströmung in den Kanälen im wesentlichen auswärts in Richtung benachbarter Brennstoffelemente ausgerichtet sind.
3) Kernbrennstoffbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deflektoren im wesentlichen pyramidenförmig sind mit etwa quadratischer Basis und vier seitlichen Ablenkflächen, die den benachbarten Brennstoffelementen zugekehrt sind.
4) Kernbrennstoffbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen konkav sind mit einem Krümmungsradius, dessen Zentrum im wesentlichen mit: dem des entsprechenden Brennstoffelementes zusammenfällt, unter Ausbildung eines Ringspaltes zwischen dem Brennstoffelement und der ihm zugekehrten Deflektorseitenflachen.
5) Kernbrennstoffbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deflektoren mittels einer Gitterstruktur gehalten sind, bestehend aus ineinandergesteckten Streifen, an deren Kreuzungsstellen die Deflektoren befestigt sind.

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6) Kernbrennstoffbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur Eingriffanordnungen für die formschlüssige Befestigung der Deflektoren aufweisen.
7) Kernbrennstoffbaugruppe nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Deflektor einen ersten Schlitz an einem Ende aufweist, der sich zwischen zwei gegenüberliegenden Kanten erstreckt, und einen zweiten Schlitz am anderen Ende aufweist, der sich zwischen den anderen beiden gegenüberliegenden Kanten erstreckt, und daß ein Streifen sich durch den ersten Schlitz, ein anderer Streifen senkrecht dazu sich durch den zweiten Schlitz erstreckt zum Einfangen des Deflektors zwischen einander.
8) Kernbrennstoffbaugruppe nach Anspruch 1 mit einem Abstandsgitter für die Festlegung des Abstands der Kernbrennstoffelemente voneinander, bestehend aus einander rechtwinklig durchsetzenden Blechstreifen, die Brennstoffelemaatabteile definieren, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kreusungsstellen der Blechstreifen sowohl ein Deflektor als auch ein in das Abteil hineinragender Abstandsring für das betreffende Brennstoffelement angeordnet sind,
9) Kernbrennstoffbaugruppe nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Deflektor aus Blech besteht und die Seitenflächen jeweils über die Begrenzungskante zweier benachbarter Seitenflächen hinaus verlängert sind derart, daß an jeder Kante zwei einander parallele, im Abstand voneinander liegende Verlängerungen vorhanden sind, die miteinander verbunden sind längs einer geraden vertikalen Linie durch die betreffende Ecke der Basis, daß die Deflektoren an diesen Verbindungsstellen über einen Teil deren Länge geschlitzt sind, und zwar an zwei einander gegenüberliegenden Ecken des Deflektors von der Basis aus und άλ den beiden anderen Ecken von der Spitze, aus, und daß die jilechstreifen ihrerseits Schlitze zum Eingriff in die Schlitze des Deflektors aufweisen, welche StreifenschLitze noch Ausschnitte zur Aufnahmj der rings um die Deflektoren an::uordri3nden Abstandsringe aufweisen.

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