DE2249049C2 - Reaktorkern für schnelle flüssigmetallgekühlte Leistungsreaktoren - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktorkern für schnelle flüssigmetallgekühlte Leistungsreaktoren mit axial getrennten Spalt- und Brutzonen, bestehend aus zahlreichen Brenn- bzw. Brutstäben, die bündelwei- jo se in Hüllkästen angeordnet sind, die Strömungsleitvorrichtungen enthalten. Diese Hüllkästen dienen zur Führung des Kühlmittelstromes und ermöglichen eine einstellbare Drosselung des Kühlmittelstromes entsprechend der radial unterschiedlichen Wärmeentbindung im Reaktorkern. Hüllkästen dieser Art verformen sich aufgrund von Temperaturdifferenzen und Strahlenbelastung, welche eine Schwellung der Strukturmaterialien hervorruft, sowie aufgrund von Stützkräften, die sich aus der erforderlichen Eingangsspannung der Hüllkästen im Kernverband ergeben. Diese Verformungen sind teilweise bleibend und teilweise abhängig von der momentanen Temperatur. Die Verformungen der Hüllkästen haben naturg3mäß aus kernphysikalischen Gründen einen Einfluß auf die Reaktivität des Reaktors, weil sich dadurch die Abstände der Brennelemente ändern, jedoch sind nur die momentanen Effekte von Bedeutung für die Sicherheit der Anlage. Ein an sich erwünschter negativer Bowing-Koeffizient, der einen Teilbetrag der Reaktivitätsbilanz darstellt, ist z. B. dann gegeben, wenn die Verbiegung der Hüllkästen durch Temperaturdifferenzen der sich auf einer Speiche gegenüberliegenden Hüllkastenwände und die Verformungen der Hüllkastenwände aufgrund von Stützkräften insgesamt bei Temperaturerhöhung eine Verminderung der Reaktivität bewirken.

In der DE-OS 20 10 927 wird bereits ein Brennelement für Reaktoren mit hohem und schnellem Neutronenfluß angegeben, das aus einem prismatischen, in Abschnitte unterteilten Brennelementkasten und in bo diesem angeordneten bündeiförmig zusammengefaßten Brennstoffstäben besteht. Diese geteilten Brennelementkästen sind gegenüber ungeteilten Brennelementkästen wesentlich komplizierter und bei Handhabung und im Betrieb empfindlicher. In den notwendigen Gelenken sind Spannungskonzentrationen zu erwarten. Ein negativer Bowingeffekt kann nicht erzielt werden.

In der DE-OS 21 57 502 wird ein Kernbrennstoffelement beschrieben, in dem nicht nur die einzelnen Brennstäbe sondern auch das gesamte Brennstabbündel innerhalb eines Hüllkastens von schraubenlinienartig gewickelten Drähten umgeben sind. Diese Drähte dienen beim einzelnen Brennstab ausschließlich als Abstandshalter, während sie am Umfang des Brennstabbündels ausschließlich einen zusätzlichen Druckverlust erzeugen ,sollen, damit dort das Kühlmittel nicht schneller fließt als im Inneren des Bündels, so daß sich dort kein für den Gesamtwirkungsgrad nachteiliges thermisches Ungleichgewicht einstellt. (Siehe Seite 2, Ende des ersten Absatzes.) Die schraubenlinienförmige Wicklung der Drähte ist sowohl beim einzelnen Brennstab als auch am gesamten Bündel sehr zweckmäßig für die Anbringung, hat aber dort keinerlei sirömungsleitende Funktion.

Aus der DE-OS !5 64 219 wie auch aus der DE-OS !7 64 914 sind bereits Leitvorrichtungen im Reaktorkern bekannt, deren Aufgabe es ist, Temperaturunterschiede des Kühlmittels im Kühlmittelquerschnitt auszugleichen und damit sowohl unzulässig hohe Temperaturen zu vermeiden als auch den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Reaktorkern für schnelle flüssigmetallgekühlte Leistungsreaktoren mit axial getrennten Spalt- und Brutzonen, bestehend aus zahlreichen senkrechten Brenn- und Brvtstäben, die bündelweise in Hüllkästen angeordnet sind, die Strömungsleitvorrichtungen enthalten, wobei dieser Reaktorkern einen schwach positiven oder sogar negativen Bowing-Koeffizienten der Reaktivität aufweist und die mechanischen Beanspruchungen des Kernverbandes gering bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Reaktorkern nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs gemäß den kennzeichnenden Merkmalen dieses Patentanspruchs ausgebildet. Die Strömungsleitungen sollen nicht wie in den beiden oben zuletzt angegebenen DE-OS das Temperaturprofil im Hüllkasten vergleichmäßigen, sondern beim Übergang von der axialen Spaltzur Brutzone das Temperaturprofil gezielt ändern. Diese Veränderung des Temperaturprofils bewirkt eine berechenbare thermische Rückbiegung der Hüllkästen oberhalb der Spaltzone. Da die Temperatur- und Strahlenbelastung im Kern in radialer Richtung abnimmt und damit in den äußeren Hüllkästen der Spaltzone die größten Differenzen auftreten, ist es zweckmäßig, das Temperaturprofil insbesondere in den äußeren Hüllkästen der Spaltzone jeweils um 180° zu verdrehen. Die Kanalisierung der Strömungsleitvorrichtungen hat folgenden Grund: Wenn man die Temperaturunterschiede im Bereich eines Hüllkastens vergleichmäßigen will, so ist es sicher richtig, für eine Vermischung der unterschiedlich heißen Kühlmittelströme zu sorgen. Wenn man aber wie im vorliegenden Fall, das Temperaturprofil möglichst exakt verdrehen will, so ist es besser, die heißen und kalten Kühlmittelströme in solchen Kanälen zu führen, die eine Durchmischung möglichst verhindern.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Bündel der Stäbe im Bereich der Strömungsleitvorrichtung unterbrochen sind. Bei dieser Unterbrechung können die Strömungsleitvorrichtungen, insbesondere wenn sie kanalisiert sein sollen, wesentlich einfacher hergestellt werden. Diese Unterbrechung kann durch entsprechende Änderung der Brutstäbe an anderer Stelle ausgeglichen werden, um negative Auswirkungen auf die Brutrate zu vermeiden.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese Strömungsleitvorrichtungen nur im Bereich der äußeren Stäbe eines Hüllkastens angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird nur die Temperatur der Hüllkastenwände verändert, während die inneren Temperaturen nicht gestört werden.

Die vorgeschlagene Vorrichtung erlaubt es ohne großen Aufwand bei ungeteilten Hüllkästen und niedrigen mechanischen Beanspruchungen des Kernverbandes rinen Reaktorkern für schnelle flüssigmetall- ίο gekühlte Leistungsreaktoren mit einem schwach positiven oder sogar negativen Bowing-Koeffizienten zu erreichen. Die sonst zur Erzielung eines negativen Bowing-Koeffizienten und damit zur Begrenzung der Spannungen und Verformungen erforderliche Verlängerung der Hüllkästen wird vermindert Diese Lösung ist unabhängig vom Materialverhalten unter Neutronenbestrahlung, welches noch sehr wenig bekannt ist. Ein negativer Bowing-Koeffizient ergibt einen negativen Leistungskoeffizienten, welcher sich günstig auf die Sicherheit der Anlage auswirkt.

Die F i g. 1 bis 6 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch ein Brennelement eines erfindungsgemäßen Reaktorkerns in vereinfachter Darstellung.

F i g. 2 zeigt den Verlauf der Temperatur in zwei sich auf einem Kernradius gegenüberstehenden Hüllkastenwänden der Fig. 1.

Fig.3 zeigt die freie Temperatur-Biegelinie eines jo Hüllkastens der Fig. 1.

F i g. 4 zeigt die resultierende Biegelinie.

F i g. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Hüllkasten oberhalb der Spaltzone.

Fig. 6 zeigt die Abwicklung der äußeren kanalisierten Strömungsleitvorrichtungen etwa über den halben Umfang eines Hüllkastens.

In Fi g. 1 ist Teil 1 ein Brennelementfuß, der in einer Gitterplatte 2 abdichtend geführt und während des Betriebes um einen kleinen Betrag kippbar gelagert ist. « Oberhalb dieses Brennelementfußes erstreckt sich das Brennelement, das im wesentlichen aus einem im Querschnitt sechseckigen Hüllkasten 3 besteht, der zahlreiche Brenn- bzw. Brutstäbe enthält. Diese Brennbzw. Brutstäbe, sowie die zu ihrer Fixierung im ή Hüllkasten notwendigen Abstandshalter werden hier nicht näher gezeigt oder beschrieben. Im Bereich 4, der als Spaltgasraum bezeichnet wird, enthalten die Stäbe Hohlräisme zur Aufnahme der bei der Kernspaltung frei werdenden Gase. Im Bereich 5, der als axiales Blanket bezeichnet wird, ist vor allem Brutmaterial in den Stäben enthalten. Im Bereich 6, dem eigentlichen Reaktorkern, ist in den Stäben Spaltmaterial enthalten. Mit 7 wird eine Strömungsleitvorrichtung bezeichnet, die in F i g. 5 und 6 näher gezeigt wird. Der Bereich 8, auch als oberes axiales Blanket bezeichnet, enthält wiederum Brutmaterial. Mit 9 wird eine hier nicht näher beschriebene Mischvorrichtung bezeichnet, die die aus dem Brenn- bzw. Brutstabbündel austretende Kühlflüssigkeit zwecks Messung der mittleren Austrittstemperatur vermischen soll. Die Pfeile 10 bzw. 11 deuten die Lage der Stützebenen an, in denen das Brennelement seitlich gehaltert ist

F i g. 2 zeigt den Verlauf der Temperatur zweier auf einem Kernradius sich gegenüberstehender Hüllkastenwände eines Brennelementes am Rande der Spaltzone. Dabei zeigt der Linienzug 12 die Hüllkastenwandtemperatur auf einer Seite, die der Kernmitte am nähsten liegt, während der Linienzug 13 die Temperatur an der gegenüberliegenden Hüllkastenwand zeigt.

Fig. 3 zeigt die freie Biegelinie 14 eines Hüllkastens, die aus den beiden Temperaturverläufen 12 und 13 in F i g. 2 berechnet wurde.

Fig. 4 zeigt mit dem Verlauf der Linie die resultierende Biegelinie, die sich aus der freien Temperaturbiegelinie 14 und der elastischen Biegelinie infolge Rückbiegung in den Einspannebenen 10 und 11 ergibt. Die schraffierte Fläche 16 stellt ein Maß dar für den Bowing-Koeffizienten.

In den F i g. 5 und 6 ist Teil 3 wiederum der Hüllkasten von sechseckigem Querschnitt. An der Innenwand dieses Hüllkastens 3 ist eine Strömungsleitvorrichtung befestigt, die aus einer zur Hüllkastenwand parallelen Wand 20, sowie mehreren darauf senkrechten Stegen 21 und 22 besteht. Diese Stege 21 und 22 bestehen abwechselnd aus kurzen gebogenen Leitschaufeln und aus durchgehenden Kanalwänden. Teil 23 ist einer von zahlreichen Brenn- bzw. Brutstäben, die hier im Hexagonalmuster angeordnet s nd.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Reaktorkern für schnelle, flüssigmetallgekühlte Leistungsreaktoren mit axial getrennten Spalt- und Brutzonen, bestehend aus zahlreichen senkrechten Brenn- bzw. Brutstäben, die bündelweise in Hüllkästen angeordnet sind, die Strömungsleitvorrichtursgen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in den in bezug auf die Spaltzone äußeren Hüllkästen (3) oberhalb der Spaltzone (6) in an sich bekannter Weise kanalisierte Strömungsvorrichtungen (22) vorhanden sind, die die Kühlmittelströmung an der Hüllkastenwand in Umfangsrichtung verdrehen.

2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Strömungsleitvcrrichtungen (22) nur im Bereich der äußeren Stäbe eines Müllkastens (3) angeordnet sind.

3. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündel der Stäbe (23) im Bereich der Strömungsleitvorrichtungen (22) unterbrochen sind.