DE2253017A1 - Kernreaktor-brennstoffbaugruppe - Google Patents

Kernreaktor-brennstoffbaugruppe

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DE2253017A1
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DE2253017A
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Inventor
Jun Robert Paul Letendre
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Combustion Engineering Inc
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Combustion Engineering Inc
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • G21C3/34Spacer grids
    • G21C3/352Spacer grids formed of assembled intersecting strips
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
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Description

  • B e s c h r e i b u n zum Patentgesuch "Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe" Die Erfindung betrifft eine Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, welche verschiedene Ausführungsoformen des Gegenstandes der Erfindung darstellen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (Patentansprüche)

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Deflektoren im wesentlichen flache, in den Kanälen im wesentlichen senkrecht zur Fluidströmungsrichtung angeordnete Plattenglieder und deren Halterungen umfassen.
  2. 2) Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Plattenglieder sich im seitlichen Abstand von der Außenfläche der Brennstoffelemente zur Ausbildung von Durchströmungspassagen zwischen ihnen befinden.
  3. 3) Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen ein zwischen den Elementen angeordnetes Abstandsgitter und Befestigungen der Plattenglieder an dem Gitter umfassen.
  4. 4) Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenglieder an dem Abstandsgitter an den Kreuzungsstellen der es bildenden Gitterteile befestigt sind.
  5. 5) Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenglieder im wesentlichen karoförmig und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Gitterteile anstoßend an diesen angeordnet sind, und daß die Spitzen der Plattenglieder mit den Kanten der Gitterteile bündig sind.
  6. 6) Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenglieder die Spitzen verbinden, im seitlichen Abstand von den Brennstoffelementoberflächen liegende gekrümmte Kanten aufweisen.
  7. 7) Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelementoberflächen im wesentlichen zylindrisch sind und die gekrümmten Plattengliederkanten kreisbogenförmig sind. Leerseite
DE2253017A 1971-12-30 1972-10-28 Kernreaktor-brennstoffbaugruppe Pending DE2253017A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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