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B e s c h r e i b u n zum Patentgesuch "Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe"
Die Erfindung betrifft eine Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe.
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Bekanntlich hat der Kernbrennstoff oder das spaltbare Material für
heterogene Kernreaktoren üblicherweise die Form von Brennstoffelementen oder Brennstoffstäben,
die ihrerseits gruppenweise in den Reaktoren in Bündeln angeordnet sind, welche
Brennstoffelementbaugruppen umfassen. Jeder Reaktor hat eine Anzahl solcher Brennstoffelementbaugruppen,
aus denen das Reaktorcore aufgebaut ist. Das flüssige Moderier-und Kühlmittel, normalerweise
Wasser, strömt aufwärts durch das Reaktorcore in den zwischen den Brennstoffelementen
ausgebildeten Kanälen, um die Wärme abzuführen.
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Eine der Beschränkungen beim Betrieb der üblichen Reaktoren ist die
Ausbildung eines Dampffilmes auf der Oberfläche der Brennstoffelemente. Dieses Phänomen
wird üblicherweise
qualitativ beschrieben als Abweichung vom Bläschenverdampfen"
(departure from nucleate boiling = DNB) und quantitativ in Ausdrücken des Betrages
von Wärmefluß, der vorhanden ist, wenn DNB eintritt (kritischer Wärmefluß = CHF).
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Diese Bedingung wird beeinflußt durch den Abstand der Brennstoffelemente,
den Druck des Systems, den Wärmefluß, die Kühlmittelenthalpie und die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit.
Wenn DNB eintritt, ergibt sich ein rapider Anstieg der Temperatur der nächstliegenden
Brennstoffelemente infolge des verringerten Wärmeübergangs, was zu einem Versagen
des Elements führen könnte. Demgemäß muß aus Sicherheitsgründen der Reaktor um eine
gewisse Marge unter dem CHF-Zustand betrieben werden und dem Punkt, bei dem DNB
auftritt. Diese Marge wird als thermische Sicherheitsmarge" bezeichnet.
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Kernreaktoren weisen normalerweise Bereiche im Core auf, die eine
höhere Neutronenfluß- und Leistungsdichte besitzen als andere Bereiche. Dies kann
veranlaßt werden durch eine Anzahl von Faktoren, von denen der eine das Vorhandensein
von Steuerstabkanälen im Core ist. Wenn die Steuerstäbe zurückgezogen sind, sind
die Steuerstabkanäle mit Moderator gefüllt, so daß sich die örtliche Moderierkapazität
vergrößert und damit auch die Leistung, welche in dem nächstliegenden Brennstoff
erzeugt wird. In diesen Bereichen hoher Leistungsdichte, die als "Heiße Kanäle"
bezeichnet werden, ergibt sich eine höhere Geschwindigkeit des Kühlmittelenthalpieanstieges
als in anderen Kanälen. Gerade diese heißen Kanäle bestimmen die maximalen Betriebsbedingungen
für den Reaktor und begrenzen die Leistung, welche erzeugt werden kann, da gerade
in diesen Kanälen die thermische Sicherheitsmarge zuerst erreicht werden würde.
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ES sind bereits Einrichtungen vorgeschlagen worden, um das Kühlmittelfluid
umzulenken und zu durchmischen, wenn es durch das Reaktorcore strömt, in der Absicht,
die Geschwindigkeit des Kühlmittelenthalpieanstieges in den heien Kanälen zu reduzieren.
Solche Einrichtungen hatten die Form von umgekehrten konischen oder pyramidenförmigen
Elementen, welche an den Schnittpunkten oder Kreuzungsstellen einer Brennstoffelementabstützgitterstruktur
angeordnet waren und dahin wirkten, daß auch das strömende Fluid in- Richtung auf
die Brennstoffelemente umzulenken und das-Fluid zwischen benachbarten Strömungskanälen
zu durchmischen. Vorrichtungen dieses Typs sind in der US-Patentanmeldung 889,548
vom 31. Dezember 1969 beschrieben.
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Zwar erfüllen diese Deflektoren in angemessener Weise ihren Zweck,
sie sind jedoch relativ komplizierte Strukturen, welche kostspielig in der Herstellung
und schwierig im Einbau sind. Ihre Verwendung verteuert daher die Herstellung des
Reaktorcores.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kernreaktorbrennstoffbaugruppe
mit einer Mehrzahl von parallel im Abstand zueinander angeordneten Brennstoffelementen,
zwischen denen sich Kühlmittelströmungskanäle befinden, und mit einer Mehrzahl von
Deflektoren zur Fluidströmungsumlenkung in den Kanälen zu schaffen, bei der die
Deflektoren eine vereinfachte Konfiguration aufweisen und leicht an den Brennstoffelementabstützgitterstrukturen
befestigbar sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Neuerung vorgeschlagen, daß
die Deflektoren im wesentlichen flache, in den Kanälen im wesentlichen senkrecht
zur Fluidströmungsrichtung angeordnete Plattenglieder und deren Halterungen umfassen.
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Die flachen Plattenglieder haben vorzugsweise im wesnentlichen Karoform
und sind an der Gitterstruktur an den Schnittpunkten der das Gitter bildenden Gitterteile
befestigt. Die Deflektorplatten wirken so, daß das aufwärtsströmende Kühlmittel
fluid in Kontakt mit den benachbarten Brennstoffelementen umgelenkt wird, so daß
die Ausbildung von Dampfblasen oder einer Schicht überhitzten Dampfes auf deren
Oberfläche unterbunden wird. Die Deflektorplatten wirken ferner so, daß innerhalb
des Kühlmittelfluidströmungskanals Turbulenz hervorgerufen wird, die wirksam zu
einer Durchmischung von Fluid aus benachbarten Strömungskanälen führt. Ein solches
Durchmischen des Kühlmittelfluids führt dazu, daß die Fluidtemperatur in einem Querschnitt
des Reaktorcores vergleichmäßigt wird und damit die Ausbildung heißer Kanäle vermieden
wird, was nach dem oben Gesagten ermöglicht, den Reaktor mit höheren Leistungspegeln
innerhalb der thermischen Sicherheitsmarge zu betreiben.
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Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert werden, welche verschiedene Ausführungsoformen des Gegenstandes
der Erfindung darstellen.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Kernreaktorbrennstoffbaugruppe,
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Brennstoffbaugruppe
zur Darstellung des Gegenstandes der Erfindung, Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines
Teils einer Brennstoffbaugruppe nach Fig. 1, und Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie
4-4 der Fig. 3.
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Die Brennstoffelementbaugruppe 10 nach Fig. 1 umfaßt einzelne Brennstoffelemente
12, die an ihrem Platz gehalten werden durch Endfittings 14 bzw. 16 sowie eine Brennstoffelementabstützgitterstruktur
18, die nachfolgend als Abstandsgitter bezeichnet werden soll. Das Core des Kernreaktors
besteht aus einer Mehrzahl solcher Brennstoffbaugruppen und in solchen Brennstoffbaugruppen
werden die Kühlmittelströmungsdeflektoren gemäß der Erfindung eingesetzt.
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Das Reaktorkühlmittel, normalerweise Wasser, strömt durch Öffnungen
in dem unteren Endfitting 16 und nach oben längs Strömungspfaden, die parallel zu
den Brennstoffelementen 12 verlaufen und strömt schließlich durch das obere Endfitting
14 wieder aus der Baugruppe heraus. Diese Aufwärtsströmung des Kühlmittelfluids
durch die Brennstoffbaugruppe soll durch die Deflektoren beeinflußt werden.
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Die Abstandsgitter 18 sind im Längsabstand intervallweise längs der
Vertikalausdehnung der Brennstoffbaugruppen angeordnet. Bekanntlich umfassen die
Abstandsgitter 18 eine Mehrzahl von Platten 20 und 22, die (in nicht dargestellter
Weise) an gegeneinander gerichteten Kanten an im Längsabstand liegenden Punkten
geschlitzt sind, so daß die Schlitze zusammenwirken zum Verbinden der Platten in
"Eierkisten-Weise" unter Ausbildung einer Gitterstruktur. Sowohl die Platten 20
wie auch die Platten 22 sind mit ausgestellten Vorsprüngen 32 und Federn 34 versehen,
wie in Fig. 4 gezeigt, um die Brennstoffelemente 12 seitlich anliegend abzustützen.
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Die Strömungsdeflektorplattenglieder 24 gemäß der Erfindung sind
an der oberen Seite der Abstandsgitter 18 befestigt, indem sie an den oberen-Kanten
der Gitterteile 20 und 22 angeschweißt werden. Obwohl die Deflektorplattenglieder
24 selektiv
für die Einwirkung auf Fluid vorgesehen werden könnten,
das in jenen Kanälen strömt, in welchen höhere Temperaturen vorherrschen, werden
sie doch vorzugsweise an jeder Kreuzungsstelle der Plattenglieder 20 und 22 angebracht.
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In der bevorzugten Ausführungsform sind die Deflektorplatten 24 Flachteile
in Karoform, deren Spitzen 26 bündig mit den oberen Kanten der Abstandsgitterteile
20 und 22 verlaufen. Die Spitzen werden untereinander verbunden durch gekrümmte
Kanten 28, welche im wesentlichen der Kreisbogenform folgen konzentrisch zu den
naheliegenden Brennstoffelementen 12. Die gekrümmten Kanten 28 der Plattenglieder
liegen in seitlichem Abstand von der Außenfläche der Brennstoffelemente 12 zur Ausbildung
von Passagen 30, durch welche das aufwärtsströmende Kühlmittelfluid zu strömen gezwungen
ist.
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Wenn Wasser nach oben durch die Brennstoffbaugruppe 10 strömt, wirken
die Strömungsdeflektoren 24 so, daß die Fluidströmung aus ihrem Strömungspfad längs
der Strömungskanäle abgelenkt wird, welche zwischen vier einander benachbarten Brennstoffelementen
12 ausgebildet sind und die Strömung wird nach außen umgelenkt in Richtung auf die
Brennstoffelemente, wie dies durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist.
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Der Strömungsdeflektor hat drei primäre Effekte. Erstens unter bricht
er das Kühlmittelfluid unmittelbar nahe der Oberfläche des Brennstoffelements 12.
Damit ergibt sich eine Tendenz zum Ausschließen von jeglicher DNB-Bedingung. Es
ergibt sich ein gradueller Wechsel von Bläschenverdampfung zu stabiler Filmverdampfung
anstatt einem sprunghaften Wechsel. Der kritische Wärmefluß wird soweit erhöht,
daß es schwierig ist, den kritischen Punkt zu erfassen infolge des graduellen Überganges
der Verdampfungscharakteristiken. Zweitens haben die Strömungsdeflektoren die Tendenz,
ein Durchmischen des aufwärts strömenden
Kühlmittels in jedem einzelnen
Strömungskanal mit der Kühlmittelströmung in benachbarten oder noch weiter entfernten
Kanälen zu bewirken. Ein solches Durchmischen hat die Wirkung, daß Unterschiede
in der Kühlmitteltemperatur zwischen den verschiedenen Strömungskanälen verringert
werden und damit der hohe Kühlmittelenthalpieanstieg in den heißen Kanälen abgesenkt
wird, womit andererseits die Fluidtemperatur über den gesamten Corequerschnitt mehr
vergleichmäßigt wird.
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Dritteps wirkt das von jeder Deflektorplatte 24 in dem betreffenden
Kühlmittelströmungskanal gebildete Hindernis dahin, die Geschwindigkeit des Fluids
zu vergrößern, wenn es durch die Passagen 30 strömt. Dieser Anstieg in der Fluidgeschwindigkeit
verbessert den Filmkoeffizient zwischenä dem Brennstoffelement 12 und dem strömenden
Fluid, womit die Wärmeübergangscharakteristiken zwischen diesen verbessert werden.
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(Patentansprüche)