DE2106342C3 - Brennstoffelement für einen Atomkernreaktor mit parallelen Brennstoffstäben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Atomkernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von Atomkraftwerken hat gezeigt, daß der kWh-Preis nur zu einem sehr geringen Teil vom Brennstoff selbst, zum größten Teil hingegen von den abzuschreibenden Installationskosten bestimmt wird. Zur Senkung des kWh-Preises kommt es daher maßgeblich darauf an. den Gesamtwirkungsgrad des Atomkraftwerks, d. h. die bei gegebenen Installationskosten erzielbare Leistung zu steigern.

Bei Anlagen, die mit Selbstumlauf des Kühlmittels im Reaktorkern arbeiten, sind einer Vergrößerung der Leistungsdichte des Reaktorkerns recht enge Grenzen gesetzt. Zwar IaBt sich durch Verwendung von Umwälzpumpen die Leistungsdichte erheblich vergrößern, doch sind solche Pumpen recht kostspielig.

Eine Vergrößerung der Leistungsdichte läßt sich durch eine Verbesserung des Wärmeaustausche zwischen den Brennstoffstäben und dem Kühlmittel erreichen. Es ist bekannt, daß sich der Wärmeübergang auf ein fluides Kühlmedium verbessern läßt, wenn dieses den zu kühlenden Gegenstand turbulent an· oder umströmt Aus der DE-AS 12 55 122 und aus der FR-PS 13 69 408 sind Brennstoffelemente für einen Atomreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, die von dieser Erkenntnis Gebrauch machen. Bei beiden bekannten Anordnungen ist aufgrund der Konfiguration von Brennstoffstäben und Deflektoren eine auf die Anzahl der Brennstoffstäbe relativ hohe Zahl von Deflektoren vorgesehen, was nhht nur aufwendig ist, sondern aufgrund des Platzbedarfes der

ίο Deflektoren der erzielbaren Verbesserungen der Leistungsdichte relativ enge Grenzen setzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszugestalten, daß eine gesteigerte Leistungsdichte erzielbar ist

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung kann als ein Bündel von Kanälen betrachtet werden, deren Wände — von der Randzone abgesehen — aus acht bzw. sechs Brennstoffstäben bestehen, je nach der Ausführungsform.

Mit einem Brennstoffelement gemäß der Erfindung z. B. läßt sich in einem Siede Leichtwasserreaktor im wesentlichen die gleiche Leistungsdichte erzielen, die sich bei einem üblichen Druckwasserreaktor erzielen läßt. Eine entsprechende Vergrößerung der Leistungsdichte ergibt sich auch bei Verwendung in einem Schwerwasserreaktor. In beiden Fällen kann man als Konsequenz hiervon ableiten, daß für eine gegebene Leistung sich bei Anwendung der Erfindung die Abmessungen des Reaktorkerns verringern lassen.

Besonders ausgeprägt ist der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung bei einem Siede-Schwerwasserreaktor, weil bei diesem die Installationskosten besonders ins Gewicht fallen.

Der Umstand, daß durch die Anwendung eines Brennstoffelements gemäß der Erfindung eine größere Leistungsdichte erzielt werden kann, hängt erstens damit zusammen, daß durch die besondere Konfiguration der Brennstoffstäbe und Deflektoren bessere Platzverhältnisse für den während des Betriebes entwickelten Dampf geschaffen werden, was dadurch zum Ausdruck kommt, daß sich ein besseres Schlupfverhältnis, d. h. Verhältnis zwischen der Dampfgeschwindigkeit und der Wassergeschwindigkeit, ergibt Die Deflektoren bewirken eine Wasser-Dampf trennung, so daß ein wesentlicher Teil der Trennarbeit, die sonst außerhalb des Reaktorkerns ausgeführt wird, nunmehr i.n Inneren des Reaktorkerns erfolgt.

Verglichen mit den genannten bekannten Konstruktionen ist es ein wesentlicher Vorteil, daß die

" Konstruktion gemäß der Erfindung dank der gewählten Konfiguration leicht und preisgünstig herzustellen ist. Das gesamte Element bildet eine Konstruktion, die solider als die normalen, aus gebündelten Stäben bestehenden Brennstoffelemente und diesen in allen anderen Hinsichten ebenbürtig ist,

Im Vergleich zu der bekannten Konstruktion, bei der die Stäbe in einem quadratischen Punktmuster angeordnet sind, hat die der vorliegenden Erfindung gemäße Konstruktion eine Anzahl durchgehende Kanäle mit

⁶> relativ großem Querschnitt. Der sich hieraus ergebende Vorteil ist, daß der Strömungswidersland, d.h. der Druckabfall, kleiner wird, oder daß umgekehrt größere Dampfgeschwindigkeiten als bei der bekannten Kon-

struktion erzielt werden können, was bessere Schlupfverhäitnisse und folglich einen kleineren prozentualen Leerraumanteil sowie bessere Bedingungen für die Wasser-Dampftrennung bedeutet Neutronenphysikalisch ist es ein Vorteil, daß der prozentuale Leerraumanteil in bezug auf die Leistungsdichte niedriger als normal ist.

Die Erstellung genügend großer Dampfpassagen oder Dampfka.iäle ist insbesondere im oberen Teil des Reaktorkerns von Bedeutung und trägt zur Reduktion der Druckverluste und zur Heraufsetzung der Durchbrenngrenze des Brennstoffelements bei.

Die Deflektoren sind zweckdienlich als extrudierte Profile ausgebildet, z. B. mit drei oder vier Blättern, die mit einer geeigneten Steigung verdrillt sind, d. h. einer Steigung, die unter den gegebenen Bedingungen sicherstellt, daß der Dampfstrom, der der Achse des Kanals folgt, von seinem Wassergehalt befreit wird. Das abgetrennte Wasser wird nach außen in Richtung der Stäbe gewirbelt, auf welchen es einen Wasserfilm bildet und eine gute Wärmeleitung gewährleistet und dadurch ein Durchbrennen des Elements bei den normalerweise vorkommenden Belastungen verhindert

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Brennstoffelements gemäß der Erfindung verlaufen die Deflektoren durch Siebplatten hindurch und sind an diesen befestigt Diese Siebplatten verhindern eine Bewegung der Stäbe in Querrichtung, erlauben jedoch ein Bewegen der Stäbe in Längsrichtung. Durch Ausbildung der Abstandhalter mit ringförmigen Teilen, in denen die Deflektoren befestigt werden, wird erreicht, daß die Deflektoren montiert werden können, ohne daß berücksichtigt zu werden braucht, in welcher Stellung sich die eigentlichen Deflektororgane in bezug auf die Achse befinden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der rein schematischen Zeichnung näher erklärt Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Teiles eines Brennstoffelements gemäß der Erfindung mit prallelen, kreiszylindrischen Brennstoffstäben, die in einem hexagonalen Muster angeordnet sind,

F i g. 2 einen Teil eines Atomreaktorkerns, der aus einer Anzahl von Brennstoffelementen wie den in F i g. 1 gezeigten besteht, und

Fig. 3 einen Teil eines Brennstoffelements mit parallelen, kreiszylindrischen Brennstoffstäben, die in einem quadratischen Muster angeordnet sind.

Das in F i g. 1 gezeigte Brennstoffelement enthält 60 kreiszylindrische Brennstoffstäbe, die in einem hexagonalen Muster in einer solchen Weise angeordnet sind, daß der Umriß des Brennstoffelements in einem rechtwinklig zu den Achsen der Brennstoffstäbe verlautenden Schnitt hexagonal ist. Diese Form macht das Brennstoffelement für den Aufbau eines Atomreaktorkerns wohl geeignet, so wie es in F i g. 2 schematisch dargestellt ist, wo eine Anzahl erfindungsgemäßer hexagonaler Brennstoffelemente zu einem Teil eines Atomreatkorkerns zusammengestellt sind.

In Fig. I ist der Übersichtlichkeit halber ein Schnitt durch sechs Brennstoffstäbe 1, 2, 3, 4, 5 und 6 sowie durch einen Deflektor 7, gezeigt. Die aus sechs Brennstoffstäben bestehende Gruppe bildet einen Kanal, in welchem sich der Deflektor 7 befindet. Da die Brennstoffstäbe von an sich bekannter Art sein können, soll ihre KonstiukMon hier nicht näher beschrieben werden. Sie können beispielsweise, wie in der Figur angedeutet wird, aus einer kreiszylindrischen Hülse bestehen, die mit einem radioaktiven Material geeigneter An gefüllt ist

Es ist ersichtlich, daß jeder Brennsioffstab außer beispielsweise zu der durch Schraffur markierten Gruppe zu gehören auch einen Teil einer Nachbargrups pe bildet

Der Deflektor 7, der in der Mitte des Kanals angebracht ist, welcher von den sechs ihn umgebenden Brennstoffstäben gebildet wird, ist im gezeigten Beispie! ein Profilstab mit kreuzförmigem Querschnitt, so daß er

iü vier schraubenförmige Blätter hat, die eine durch den Kanal strömende Kühlflüssigkeit in eine wirbelnde Bewegung um die Achse des Kanals versetze«. Durch diese wirbelnde Bewegung erfolgt eine Trennung von Dampf und Wasser, da der Dampf wegen der wirbelnden Bewegung zur Achse des Kanals hin strebt während sich die Flüssigkeit nach außen, d.h. in Richtung der umgebenden Brennstoffstäbe, bewegt Hierin besteht die systematische Erstellung von Platz für den Dampf, die die Möglichkeit für eine größere Leistungsdichte mit sich bringt

Die Brennstoffstabe und die De*i?.ktoren verlaufen durch Stützorgane 8 für die Brennstoffstäbe hindurch, welche Organe an geeigneten Stellen in Längsrichtung des Brennstoffaggregats vorgesehen sind. Die Siützor-

-5 gane 8 haben die Form von Siebplatten, die auf an sich bekannte Weise mit Federcrganen oder anderen Organen versehen sind, die die Stellung der Brennstoffstäbe in einer solchen Weise fixieren, daß sich die Brennstoffstäbe zwar in Axialrichtvng verschieben

M könien nicht aber in rechtwinklig hierzu verlaufenden Richtungen. Da solche Organe bekannt sind, soll hier nicht näher auf diese eingegangen werden, und der Übersichtlichkeit halber sind sie nicht auf der Zeichnung gezeigt, welche in erster Linie dazu dienen soll, die

J5 Konfiguration der Brennstoffstäbe und der Deflektoren zu veranschaulichen.

Die Deflektoren 7 sind dagegen fest mit den Stützorganen oder Siebplatten verbunden, ζ. Β durch Schweißen, und sie folgen daher den Deflektoren, wenn diese sich in Achsrichtung ausdehnen und zusammenziehe .. Auf diese Weise ist eine stabile und herstellungsfreundliche Konstruktion geschaffen.

Diejenigen Teile der Stützorgane 8, durch welche die Deflektoren verlaufen, sind bei der gezeigten Ausfüh-

t"> rungsform als kreisförmige Ringe ausgebildet, was die Montage erleichtert, weil die Deflektoren jede beliebige Winkelstellung in den Ringen einnehmen und somit gegen beliebige Punkte der Innenseiten der Ringe anliegen können.

w Die Stützorgane sind nur in der Draufsicht gezeigt, und deshalb soll erwähnt werden, daß ihre Höhe in Achsrichtung in bezug auf die Länge der Brennstoffsiäbe kHn ist und im wesentlichen der Höhe üblicherweise benutzter Abstandhalter entspricht.

i^r> Im gezeigten Peispiel haben die Deflektoren 7 vier Blätter, doch ist es möglich, sich einer anderen Anzahl zu bedienen, z. B. einer Anzahl von drei oder einer höheren Anzahl. Die Steigung der Schraubenflächer kann konstant se!.i, doch kann sie auch längs der Achse

wi des Deflektors variieren, um auf diese Weise dem variierenden Dampfgehalt Rechnung zu tragen, der in Richtung des oberen Endes des Brennstoffelements ansteigt.

In F i g. 2 ist eine Anzahl von Brennstoffelementen

h '■ der in F i g. 1 gezeigten Art dargestellt, die zu einem Teil eines Atomreaktorkerns zusammengestellt sind. Vier dieser Brennstoffelemente tragen die Bezugsziffern 20, 21, 22 und 23. An geeigneten Stellen zwischen den

Brennstoffelementen und zwcckmäBigerweise in einem regelmäßigen Muster sind Kontrollstangen vorgesehen, von denen sich eine, die mit 24 bezeichnet ist, zwischen den Brcnnstoffaggrcgalen 20, 22 und 23 befindet. Die Kontrollstangen haben Y-förmigen Querschnitt, sind jedoch im übrigen von herkömmlicher Art und brauchen deshalb hier nicht näher beschrieben zu werden.

In Fig. 3 ist schematisch eine Gruppe von acht, in einem quadratischen Muster angeordneten Brennstoffstäben und ein Deflektor dargestellt, der sich in dem Kanal befindet, den die Brennstoffstäbe bilden. Der Aufbau eines Brennstoffelements aus Gruppen.wie den in Fig. 3 gezeigten, isi im übrigen analog des in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen, und die Zusammenstellung von einer Anzahl quadratischen Brennstoffelemente zu einem quadratischen Atomreaktorkern ist analog der in Verbindung mil !" i g. 2 beschriebenen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   t. Brennstoffelement für einen Atomkernreaktor, bestehend aus einer Anzahl von zueinander parallelen Brennstoffstäben, wobei die Schnittpunkte der Achsen der Brennstoffstäbe mit einer rechtwinklig zu den Brennstoffstäben verlaufenden Ebene ein regelmäßiges Muster von Punkten bilden, welche Eckpunkte in einer ebenen Konfiguration von aneinandergrenzenden regelmäßigen Figuren in Form von gleichseitigen Dreiecken oder Quadraten bilden, und mit Deflektoren, deren Achsen parallel zu den Brennstoffstäben verlaufen und die einen an ihnen entlangströmendes Kühlmittel in eine Wirbelbewegung versetzen, wobei Gruppen von aneinandergrenzenden Figuren gebildet werden, und zwar entweder Gruppen, die jeweils aus sechs gleichseitigen Dreiecken bestehen, deren äußere Eckpunkte zusammen ein regelmäßiges hexagonales Punktmuster bilden, oder Gruppen, die jeweils aus vier Quadraten bestehen, deren äußere Eckpunkte zusammen ein größeres quadratisches Punktmuster bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffstäbe (1, 2, 3, 4, 5, 6) nur in den äußeren Punkten einer jeden Gruppe angeordnet sind, während sich im gemeinsamtn inneren Punkt der Gruppe anstelle des Brennstoffstabes ein Deflektor (7) befindet
2. 2. Brennstoffelement nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch eine Anzahl in rechtwinklig zur Achsrichtun_fc verlaufenden Ebenen liegende, als Siebplatten ausgebildete Abst ,ldhaiter (8), an denen die Deflektoren (7) befestigt sind, die verhindern, daß sich die Brennstofistäb · in Querrichtung verschieben, jedoch ein Bewegen der Brennstoffstäbe in Achsrichtung zulassen.
3. 3. Brennstoffelemente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (8) kreiszylindrische, ringförmige Teile aufweisen, in denen die Deflektoren (7) befestigt sind.