DE2122853A1 - Flussigkeitsgekuhlter Kernreaktor - Google Patents

Description

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Anmelderin: ' Stuttgart, den 3· Mai 1971

United Nuclear Corporation P 2306 X/kg Grasslands Road
Elmsford, N.Y., V.St.A.

Flüssigkeitsgekühlter Kernreaktor

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeit3gekühlten Kernreaktor mit Gruppen von Kernbrennstoffstab-Anordnungen, mit Mitteln zum Ablenken des Kühlmittelstromes von durch benachbarte Stäbe gebildeten Subkanälen in Querrichtung.

Es ist bekannt, flüssigkeitsgekühlte Kernreaktoren mit Gruppen von Kernbrennstoffstab-Anordnungen mit Kühlmittelreflektoren oder Kühlmittelleitblechen zu versehen, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind, um den Reaktor mit erhöhter Leistung betreiben zu können.

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Kernreaktoren dienen in erster Linie dazu, die riesigen durch Kernspaltung freigesetzten Energiemengen in bare thermische Energie umzuwandeln. Wenn ein spaltbares

Atom wie beispielsweise ^^JJ _% U^-^l/>', "2v^^J'^J oder Pu ein thermisches Neutron absorbiert, so besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß es einer Kernspaltung unterliegt, wobei es in zwei Spaltprodukte niedereren Atomgewichtes zerteilt wird, die eine große kinetische „ Energie aufweisen und eine Anzahl von neutronen ausr senden« In einem Kernreaktor verteilt sich die kinetische Energie der Spaltprodukts als Wärme in den Kernbrennstoffelementen und wird aus dem Reaktor durch ein Kühlmittel abgeführt, das mit den Brennstoffelementen im Wärmeaustausch steht«, Die Spaltneutronen werden, durch einen Moderator bis in den thermischen Bereich abgebremst und wiederum dazu benutst, na eine nachfolgende Spaltung in einem anderen Atom au iadusieren, um eine selbständige Kettenreaktion aufrechtzuerhalten,,

Ein üblicher Leistungsreaktor umfaßt im wesentlichen einen Reaktordruckkessel mit einem Kern für die nukleare \ Kettenreaktion, der aus einer Anzahl von Kernbrennstoffelement-Anordnungen besteht. Jede Brennelement-Anordnung umfaßt ein System paralleler stabartiger Kernbrennstoff— elemente, die üblicherweise aus Röhrchen aus einer Zirkon— legierung bestehen, die mit angereichertem Uranoxid gefüllt sind. Die Brennstoffstäbe einer jeden Anordnung sind über ihre ganze Länge hinweg in genauem" Abstand voneinander gehalten, wozu ein oder mehrere Gitter— strukturen in dem Bereich zwischen ihren Enden vorgesehen sind. Üblicherweise erstreckt sich jeder einzelne

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Brennstoffstab durch, eine entsprechende Gitterzelle, wobei er mit Geeigneten, darin vorgesehenen Tragoberflächen in Kontakt ist·

Der Reaktornkern wird üblicherweise mittels durch den Kern gepumpten Wassers gekühlt und moderiert· Genauer gesagt wird Wasser in jede der Anordnungen durch am Grunde vorgesehene Stutzen gepumpt und zirkuliert im wesentlichen in Längsrichtung der Brennstoffstäbe durch von einander benachbarten Stäben gebildete Subkanäle zu einem oberen Auslaß, durch welchen es die Anordnung verläßt, um Dampf für den Antrieb einer · Turbine zu erzeugen.

Eines der primären Probleme bei Leistungskernreaktoren ist das Problem des unwirtschaftlichen Reaktorbetriebes, der auf dem übermäßigen Aufheizen in relativ kleinen Bereichen der Subkanäle beruht« Trots einer weiten Vielzahl von Brennstoffverteilungs-Schemata, die unter dem Gesichtspunkt entworfen wurden, eine gleichmäßige Erwärmung zu erzielen, neigen bestimmte Brennstoffstäbe im Reaktorkern dazu, höhere Temperaturen anz.unehmen als andere. Wegen dieser ungleichmäßigen Erwärmung variiert der Enthalpieanstieg und/oder der Temperaturanstieg des Kühlmittels von Subkanal au Subkanal, Es ist daher, wie in der Reaktorbautechnik wohl bekannt, die Ausgangsleistung eines gesamten Reaktorkernes e$f einen Viert begrenzt, bei dem die EnthalpLezunähme oder der Temperaturanstieg im heißesten Subkanal des Kernes eine vorgeschriebene Sicherhei'tsgrenze nicht überschreitet.

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Es ist schon erwogen worden, dieses ungleichmäßige Erwärmen dadurch zu kompensieren, daß Mittel vorgesehen werden, die den längsfließenden Kühlmittelstrom quer durchmischen. Dieses Querdurchmischen wird beispielsweise durch Mischflügel (Leitbleche) erzielt, die in die Subkanäle vorstehen und den Kühlmittelstrom in eine Querrichtung reflektieren, wodurch ein Mischen des Kühlmittels zwischen den Längsflußkanälen erzielt wird. Es wird auf diese Weise ein Kühlmittel-P strom in einem Flußkanal mit einer höheren Enthalpie- und/oder Temperatur gemischt mit dem Kühlmittelstrom in einem anderen Flußkanal mit einer niedrigeren Enthaltie und/oder Temperatur, um eine Mischung zu erzeugen, die eine mittlere Enthalpie und/oder Temperatur aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besser wirksamen Kühlmittelstrom bei einem Kernreaktor zu erzielen. Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Ablenkung des Kühlmittelstromes in Querrichtung in der Art erfolgt, daß der Kühlmittel- ) strom konzentrisch zu den Stoßstellen einander benachbarter Kernbrennstoffstab-Anordnungen abgelenkt ist. Die Stoßotellen, an denen mehrere einander benachbarter Anordnungen von Kernbrennstoffstäben zusammenstoßen, bilden also eine Achse für die Ablenkrichtung der Kühlmittelströme, die zu dieser Achse konzentrisch ist· Der besondere Vorteil der Erfindung liegt dabei darin, daß dadurch die Bildung heißer Bereiche in Subkanälen praktisch völlig unterbunden ist, wodurch es möglich ist,

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den Reaktor mit einer erheblich erhöhten Leistung zu betreiben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind einander benachbarte Kühlmittelströme in entgegengesetzter Richtung um die Stoßstelle umlaufend abgelenkt.

Zum Ablenken in Querrichtung sind eine Vielzahl von Kühlmittelreflektoren oder Kühlmittelleitblechen in den Subkanälen zwischen benachbarten Stäben vorgesehen.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles· Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsansicht einer typischen Brennstoffanordnung zur Verwendung in Druckwasserreaktoren, bei der eine erfindungsgemäße Reflektoranordnung für den Kühlmittelfluß verwendbar ist,

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Teiles einer im Gitterkmgeordneten Brennstoffanordnung, in der ein Ausfükrungsbeispiel eines aweckmäßigen, erfindungsgemäßen Kühlmittelreaktors gezeigt ist, und

Fig. 3 ein teilweise im Schnitt gezeigter Grundriß, zum Zwecke der klareren Darstellung teilweise weggebrochen, einer Brennstoffanordnung mit einer erfindungsgemäßen Reflektoranordnung für den Kühlmittelfluß·

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Die in Fig. 1 in der Längsansicht dargestellte Kernbrennstoff anordnung umfaßt ein 15 χ 15er System von Stäben 10» Das System oder die Anordnung erstreckt sich zwischen einem unteren Stutzen 11, der als untere Trägerstruktur dient und den Wasserstrom durch das System oder die Anordnung leitet, und einem oberen Auslaß 12, der das erwärmte Wasser in die Reaktorauslaßleitungen leitet. In verschiedenen Zwischenbereichen sind die Stäbe durch ein Gitter 13 .aus Federbügeln in gegenseitigem Abstand gehalten und seitlich abgestützt· In einer typischen Stabanordnung mit einer Gesamtlänge von 4,09 m (I6I") werden neun derartige Gitter 13 aus Federbügeln verwendet. Diese Gitter sind aus einem hochkorrosionsbeständigen Material wie beispielsweise aus Inconel hergestellt ι sie sind in der Art ausgebildet, daß sie Kühlmittelreflektoren oder Kühlmittelleitbleche 14 umfassen, die anschließend genauer beschrieben werden·

Oberhalb des oberen Auslasses 12 ist der obere Teil einer Gruppe von Regelstäben 15 vorgesehen, die im oberen Bereich durch einen gemeinsamen Nabenstern 16 miteinander verbunden sind. Die Regelstäbe oder Steuerstäbe bestehen aus einem thermische Neutronen absorbierenden Material wie beispielsweise einer Kadmiumlegierung und sind in üblicher Weise in Röhrchen aus rostfreiem Stahl abgedichtet untergebracht.

Üblicherweise umfaßt die 15 x 15er Anordnung einen Hohlstab für Inneninstrumentierung, zwanzig Steuer- oder Regelstäbe und zweihundertundvier Brennstoffstäbe· Die Brennstoffstäbe bestehen üblicherweise aus dicht aftgeschloasenen Röhrchen einer Zirkonlegierung, die mit

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gepreßten keramischen Tabletten aus angereichertem Uranoxid gefüllt sind. Ausreichende Leerräunie und freie Abstände sind innerhalb des Stabes vorgesehen, um ohne Überlastung der Umhüllung oder der dichten Schweißstellen die vom Brennstoff abgegebenen gasförmigen Spaltprodukte, unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen der Röhrenhülle und dem Brennstoff und das durch die angesammelten Spaltprodukte bedingte Wachsen des Brennstoffes aufzunehmen. Beispielsweise besteht die Umhüllung aus Zircaloy~4-Röhrchen mit einer Dicke von 0,62 mm (0,0243") "und einem Außendurchmesser von 10,7 mm (0,422"). Die Brennstoffpillen oder -tabletten haben beispielsweise einen Durchmesser von 9»3 mm (0,3669"), eine Länge von 15»2 mm (0,6") nei einer Dichte zwischen 93 und 9^/0 der theoretischen Dichte·

Eine übliche Anordnung weist eine Seite mit 214 mm (8,426") auf bei einem gegenseitigen Mittenabstand der Stäbe von 14,3 mm (0,563").

Y/ie in Fig. 2 dargestellt, besteht das Abstandhaltergitter aus zwei einander schneidenden Gruppen 20a und 20b streifenförmiger Platten, die derart angeordnet sind, daß die ebenen Oberflächen einer jeden Gruppe parallel zueinander verlaufen. Jede durch die einander schneidenden Streifen gebildete Zelle enthält einen Stab 21 (abgeschnitten dargestellt) der Anordnung, wobei jeder Satz benachbarter Stäbe einen Subkanal bildet, dessen Mittelachse in der Schnittlinie der streifenförmigen Platten liegt. Das Kühlmittel neigt natürlicherweise dazu_$ durch diese Subkanäle zu fließen. Ein geeigneter^ erfindungsgemäßer

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Kühlmittelreflektor (Kühlmittelleitblech) umfaßt einen Mischflügel 22, der beispielsweise entlang der Längsränder der streifenförmigen Platten an den Schnittlinien benachbarten Bereichen vorgesehen sein kann. Der Flügel erstreckt sich, auf diese V/eise in den Kühlmittelsubkanal, der durch einander benachbarte Stäbe gebildet ist«

Der Mischflügcl ist aus der Ebene der streifenförmigen Platte herausgebogen, von der er sich in Richtung auf die öffnung erstreckt, zu einem benachbarten Bubkanal hin, so daß er einen Teil des in Längsrichtung fließenden Kühlmittels in den benachbarten Subkanal ablenkt. Der Winkel, um den er herausgebogen ist, liegt üblicherweise zwischen 20° und 4-0° und weist bevorzugt eine Größe von etwa 50° auf. In einer alternativen Anordnung ist der Mischflügel so angeordnet, daß er vom Grund des Gitters aus vorsteht. In letzterem Fall wird der Kühlmittelfluß in eine Richtung umgeleitet, die der Abbiegung des Mischflügels entgegengesetzt ist,, der Flügel steht also der Gtrömung entgegen.

Es versteht sich, daß eine Vielzahl solcher LIischflügel oder ähnlicher Leitbleche oder Reflektoren in unterschiedlichen Positionen auf dem Gitter angeordnet sein können, um ein gewünschtes Muster an quergerichteten Kühlmittelströmen zu erzielen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Illustration einer erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlmittcl-Leitblechen. Die Zeichnung stellt eine Gruppe von vier Kernreaktorbrennstoff-Anordnungen 5OA, JOB, 500 und JOD dar· Jede

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Anordnung umfaßt ein 15 χ 15er System von Stäben 31 (von denen nur wenige dargestellt sind), die in einem System von Gitterzellen 32 angeordnet sind. Jeder der Gitterschnitte 33 "befindet sich in der Mitte eines Kühlmittelsubkanales 3^ zwischen einander benachbarten Stäben. Die Kühlmittelreflektoren (oder Leitbleche oder Mischflügel) sind durch Pfeile wiedergegeben, die von den Gitterschnittenin die Richtung weisen, in der sie das Kühlmittel ablenken. Es sind in der Zeichnung nicht alle Leitbleche oder Mischflügel dargestellt, sondern nur so viele, um das Anordnungsmuster klar zu machen.

Wie die Zeichnung zeigt sind die Leitbleche konzentrisch bezüglich der Stoßstellen aneinander angrenzender Brennstoffstabanordnungen vorgesehen, um den Kühlmittelstrom bei seiner Bewegung von dem Einlaßstutzen zu den Auslaßöffnungen in ähnlichen Quermustern abzulenken. Zusätzlich ist zu sehen, daß die Leitbleche so orientiert sind, daß einander benachbarte Kühlmittelströme in entgegengesetzten Richtungen rund um die Stoßstelle abgelenkt sind.

Es wurde festgestellt, daß diese Anordnung der Kühlmittelleitbleche eine erhebliche Verbesserung bei der Verminderung der Temperaturdifferenzen ergibt zwischen den Kühlmittelströmen, die den Reaktor durch "heiße" Subkanäle verlassen und solchen Kühlmittelströmen, die den Reaktor durch mittlere, durchschnittliche Subkanäle verlassen· Bei der üblichen, in bekannten Reaktoren benutzten Anordnung, bei der im wesentlichen das Kühlmittel

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durch die vier Subkanäle wirbelt, die jedem Brennstoffstab benachbart sind, wurde festgestellt, daß diese Temperaturdifferenz auf etwa 75% der Temperaturdifferenz abgesenkt wurde, die bei Anordnungen ohne Leitbleche erzielt wurde. Y/urden dagegen dieselben Leitbleche gemäß der Erfindung angeordnet, so wurde diese Temperaturdifferenz auf weniger als 1O?o des Wertes reduziert, der ohne Leitbleche erzielt wurde·

Es versteht sich, daß die dargestellte und beschriebene Anordnung lediglich beispielhaft die vielen möglichen speziellen Ausführungsformen verdeutlicht, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wirken· Es können beispielsweise eine Vielzahl von Kühlmittelleitblechen oder anderen Vorrichtungen zum Ablenken des Reaktorkühlmittelatromes in einer Richtung quer zu der Anordnung vorgesehen werden, ohne den durch die Erfindung gesteckten Rahmen su verlassen·

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   ( 1J Flüssigkeitsgekühlter Kernreaktor mit Gruppen von Kernbrennstoffstab-Anordnungen, mit Mitteln zum Ablenken des Kühlmittelstromes von durch benachbarte Stäbe gebildeten Subkanälen in Querriehtuns, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung des Kühlmittelstromes in Querrichtung in der Art erfolgt, daß der Kühlmittelstrom konzentrisch zu den Stoßotellen einander benachbarter Kernbrennstoffstab-Anordnungen (JOA bzw· 5OB bzw. JOC bzw, 30B) abgelenkt ist·
2. 2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Kühlmittelströme in entgegengesetzter Richtung um die Stoßstelle umlaufend abgelenkt sind.

   3· Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ablenken in Querrichtung eine Vielzahl von Kühlmittelreflektoren oder Kühlmittelleitblechen (22) in den Subkanälen (3^) zwischen benachbarten Stäben (31) vorgesehen sind·

   4·· Anordnung von Kernbrennstoffstäben zur gruppenweisen Verwendung in einem Reaktor, nach Anspruch ·1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Kühlmittelleitblechen, die in einem solchen Muster angeordnet sind, daß der Kühlmittelstrom konzentrisch bezüglich der Stoßstellen einander benachbarter Anordnungen (3OA bzw. 3OB bzw» 300 bzw. 30D) von Kernbrennstoffstäben (31) abgelenkt XBt.

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