DE2122853B2 - Kernbrennstoffelemente-Gruppierung für einen flfissigkeitsgekühlten Atomkernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kernbrennstoffelemente-Gruppierung für einen flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor, bei der die Kernbrennstoffelemente nebeneinander angeordnet sind, von denen jedes eine Vielzahl von Kernbrennstoffstäben umfaßt, die im Abstand zueinander parallel in Zellen mindestens eines Abstandsgitters gehaltert sind, mit an den Abstandshaltern angebrachten Kühlmittelleitblechen zum Ablenken eines Kühlmittelstromes quer zur Kernbrennstoffstablängsrichtung in durch die Kernbrennstoffstäbe gebildeten Subkanälen.

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

Kernreaktoren dienen in erster Linie dazu, die riesigen durch Kernspaltung freigesetzten Energiemengen in nutzbare thermische Energie umzuwandeln. Wenn ein spaltbares Atom wie beispielsweise U²¹¹, U²¹⁵, Pu^2Woder Pu²⁴¹ ein thermisches Neutron absorbiert, so besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß es einer Kernspaltung unterliegt, wobei es in zwei Spaltpror'ukte niedereren Atomgewichtes zerteilt wird, die eine große kinetische Energie aufweisen und eine Anzahl von Neutronen aussenden. In einem Kernreaktor verteilt sich die kinetische Energie der Spaltprodukte 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 benutzt, um eine nachfolgende Spaltung in einem anderen Atom zu induzieren, 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

ίο Kernbrennstoff element-Anordnungen besteht. Jede Brennelement-Anordnung umfaßt ein System paralleler stabartiger Kernbrennstoffelemente, die üblicherweise aus Röhrchen aus einer Zirkonlegierung bestehen, die mit angereichertem Uranoxid gefüllt

η sind. Die Brennstoff stäbe einer jeden Anordnung sind über ihre ganze Länge hinweg in genauem Abstand voneinander gehalten, wozu ein oder mehrere Gitterstrulcturen in dem Bereich zwischen ihren Enden vorgesehen sind. Üblicherweise erstreckt sich jeder einzelne Brennstoffstab durch eine entsprechende Gitterzelle, wobei er mit geeigneten, darin vorgesehenen Tragoberflächen in Kontakt ist.

Der Reaktorkern wird üblicherweise mittels durch den Kern gepumpten Wassers gekühlt und moderiert.

2^r> Genauer gesagt wird Wasser in jede der Anordnungen durch am Grunde vorgesehene Stutzen gspumpt und zirkuliert im wesentlichen in Längsrichtung der Brennstoffstäbe durch von einander benachbarten Stäben gebildete Subkanäle zu einem oberen Auslaß,

«ι 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

π relativ kleinen Bereichen der Subkanäle beruht. Trotz einer weiteren Vielzahl von Brennstoffverteilungs-Schemata, die unter dem Gesichtspunkt entworfen wurden, eine gleichmäßige Erwärmung zu erzielen, neigen bestimmte Brennstoffstäbe im Reaktorkern dazu, höhere Temperaturen anzunehmen als andere. Wegen dieser ungleichmäßigen Erwärmung variiert der Enthalpieanstieg und/oder der Temperaturanstieg des Kühlmittels von Subkanal zu Subkana!. Es ist daher, wie in der Reaktionsbautechnik wohl bekannt,

<r> die Ausgangsleitung eines gesamten Reaktorkernes auf einen Wert begrenzt, bei dem die Enthalpiezunahme oder der Temperaturanstieg im heißesten Subkanal des Kernes eine vorgeschriebene Sicherheitsgrenze nicht überschreitet.

w Es ist schon erwogen worden, ein ungleichmäßiges Erwärmen dadurch zu kompensieren, daß Mittel vorgesehen werden, die den längsfließenden Kühlmittelstrom quer durchmischen. Dieses Querdurchmischen wird beispielsweise durch Mischflügel (Leitbleche)

ν· erzielt, die in die Subkanäle vorstehen und den Kühlmittelstrom in eine Querrichtung deflektieren, wodurch ein Mischen des Kühlmittels zwischen den Längsflußkanälen erzielt wird. Es wird auf diese Weise ein Kühlmittelstrom in einem Flußkanal mit einer hö-

bo heren Enthalpie- und/oder Temperatur gemischt mit dem Kühlmittelstrom in einem anderen Flußkanal mit einer niedrigeren Enthalpie und/oder Temperatur, um eine Mischung zu erzeugen, die eine mittlere Enthalpie und/oder Temperatur aufweist.

b") Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besser wirksamen Kühlmittelstrom bei einem flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor zu erzielen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Reaktorkern

der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Kühlmittelleitbleche gemäß einem solchen Muster verteilt und angeordnet sind, daß die Ablenkung des Kühlmittelsiromes konzentrisch zu der jeweiligen, den unmittelbar benachbarten Brennstoffelementen gemeinsamen Stoßkante erfolgt. Die Stoßstellen, an denen mehrere einander benachbarte Kernbrennstoffelemente zusammenstoßen, bilden also eine Achse für die Ablenkrichtung der Kühlmittelströme, die zu dieser Achse konzentrisch 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 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 Kühlmittelleitbleche erzielt wurde. Wurden dagegen dieselben Kühlmittelleitbleche gemäß der Erfindung angeordnet, so wurde diese Temperaturdifferenz auf weniger als 10% des Wertes reduziert, der ohne Kühlmittelleitbleche erzielt wurde. Es ist dadurch möglich, den Kernreaktor mit einer erheblich erhöhten Leistung zu betreiben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind einander konzentrisch benachbarte Kühlmittelströme in entgegengesetzter Richtung um die Stoßkante umlaufend abgelenkt. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen. Ferner sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung die Kühlmittelleitbleche an den Abstandshaltern in den Subkanälen zwischen benachbarten Kernbrennstoffstäben fest angebracht. Dadurch ragen die Kühlmittelleitbleche unmittelbar in den Strom eines Subkanals und leiten diesen Strom wirksam um.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das anschließend erläutert wird. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsansicht einer typischen Kernbrennstoffstabanordnung zur Verwendung in Druckwasserreaktoren, die mit Kühlmittelleitblechen versehen ist,

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Teiles eines Kernbrennstoffelementes mit im Gitter angeordneten Brennstofstäben und an einem Abstandshalter angebrachten Kühlmittelleitblech, und

Fig. 3 einen teilweise im Schnitt gezeigten Grundriß einer Kernbrennstoffelemente-Gruppierung in schematischer Darstellung unter Andeutung der Richtung der Kühlmittelströme.

DieinFig. 1 in der Längsansicht dargestellte Kernbrennstoffstabanordnung I umfaßt ein Kernbrennstoffelement in Form eines 15 X 15er-Systems 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 Fedcrbügeln in gegenseitigem Abstand gehalten und seitlich abgestützt. In einer typischen Stabanordnung mit einer Gesamtlänge von 4,09 m werden neun derartige Gitter 13 aus Federbügeln verwendet. Diese Gitter sind aus einem hochkorrosionsbeständigen Materia! wie beispielsweise aus Inconel hergestellt; sind 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

ι» 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 unterge-

ij bracht.

Üblicherweise umfaßt die 15 X 15er Anordnung einen Hohlstab für Inneninstrumentierung, zwanzig Steuer- oder Regelstäbe und zweihundertundvier Brennstoff stäbe. Die Brennstoffstäbe bestehen übli-

2" cherweise aus dicht abgeschlossenen Röhrchen einer Zirkonlegierung, die mit gepreßten keramischen Tabletten aus angereichertem Uranoxid gefüllt sind. Ausreichende Leerräume 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

ίο Wachsen des Brennstoffes aufzunehmen. Beispielsweise besteht die Umhüllung aus einer Zirkonlegierung mit einer Dicke von 0,62 mm und einem Außendurchmesser von 10,7 mm. Die Brennstoffpillen oder -tabletten haben beispielsweise einen Durchmesser

Γ) von 9,3 mm, eine Länge von 15,2 mm bei einer Dichte zwischen 93 und 94% der theoretischen Dichte.

Eine übliche Anordnung weist eine Seite mit 214 mm auf bei einem gegenseitigen Mittenabstand der Stäbe von 14,3 mm.

in Wie in Fig. 2 dargestellt, besteht das Abstandshaltergitter 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

■»ι 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 streifenförmige η Platten liegt. Das

ι» Kühlmittel neigt natürlicherweise dazu, durch diese Subkanäle zu fließen. Ein geeigneter Kühlmitteldeflektor gemäß der Erfindung umfaßt ein Kühlmittelleitblech 22, das beispielsweise entlang eier Längsränder der streifenförmigen Platten an den Schnittlinien

>> benachbarten Bereichen vorgesehen sein kann. Der Flügel erstreckt sich auf diese Weise in den Kühlmittelsubkanal, der durch einander benachbarte Stäbe gebildet ist.

Das Kühlmittelleitblech ist aus der Ebene der strei-

W) fenförmigen Platte herausgebogen, von der es sich in Richtung auf die Öffnung erstreckt, zu einem benachbarten Subkanal hin, so daß es einen Teil des in Längsrichtung Hießenden Kühlmittels in den benachbarten Subkanal ablenkt. Der Winkel, um den er herausge-

(,-, bogen ist, liegt üblicherweise zwischen 20° und 40° und weist bevorzugt eine Größe von etwa 30° auf. In einer alternativen Anordnung ist das Kiihlmittelleitblech so angeordnet, daß es vom Grund des Gitters

aus vorsteht. Im letzteren Fall wird der Kühlmittelfluß in eine Richtung umgeleitet, die der Abbiegung des Kühlmittelleitbleches entgegengesetzt ist, es steht also der Strömung entgegen.

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

Fig. 3 zeigt eine schematische Illustration einer erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlmittel-Leitblechen. Die Zeichnung stellt eine Gruppe von vier Kernbrennstoff-Elementen 3OA, 3OB, 3OC und 3OD dar. Jedes Element umfaßt ein 15 X 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 Kühlmittelsubkanals 34 zwischen einander benachbarten Stäben. Die Kühlmittelleitbleche sind durch Pfeile wiedergegeben, die von den Gitterschnitten in 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 klarzumachen.

Wie die Zeichnung zeigt, sind die Leitbleche konzentrisch bezüglich der Stoßstellen an einander angrenzender Brennstoffelemente 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelemente-Gruppierung für einen flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor, bei der die Kernbrennstoffelemente nebeneinander angeordnet sind, von denen jedes eine Vielzahl von Kernbrennstoffstäben umfaßt, die im Abstand zueinander parallel in Zellen mindestens eines Abstandsgitters gehaltert sind, mit an den Abstandshaltern angebrachten Kühlmittelleitblechen zum Ablenken des Kühlmittelstromes quer zur Kernbrennstoffstablängsrichtung in durch die Kernbrennstoffstäbe gebildeten Subkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitbleche (22) gemäß einem solchen Muster verteilt und angeordnet sind, daß die Ablenkung des Kühlmittelstromes konzentrisch zu der jeweiligen, den unmittelbar benachbarten Brennstoffelementen (30/1 bzw. 30B bzw. 3OC bzw. 30D) gemeinsamen Stoßkante erfolgt.

2. Kernbrennstoffelemente-Gruppierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander konzentrisch benachbarte Kühlmittelströme in entgegengesetzter Richtung um die Stoßkante umlaufend abgelenkt sind.

3. Kernbrennstoffelemente-Gruppierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitbleche (22) an den Abstandshaltern (20/4, 20B) in den Subkanälen (34) zwischen benachbarten Kernbrennstoffstäben (31) angebracht sind.