DE2302750A1

DE2302750A1 - Kern fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE2302750A1
Application number: DE2302750A
Authority: DE
Inventors: Frank Bevilacqua
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1972-01-24
Filing date: 1973-01-20
Publication date: 1973-07-26
Also published as: FR2169140A1; US3847736A; ES410772A1

Description

BW 661/CE 3155

18. 1. 73 cl/ko

'Anmelder: Combustion Engineering, Inc. Windsor, Connecticut, U.S.A.

Kern für einen Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor, dessen Kern aus senkrecht stehenden länglichen Brennstoffstäben besteht die in Gruppen angeordnet sind. Diese Gruppen werden zwischen ihren Endplatten durch Gitter gehalten. Solch eine Konstruktion ist z. B. durch das US-Patent 3.379.619 bekannt.

Diese Gitter sind in bestimmten Abständen entlang den Brennstoffstäben angeordnet und mit ihnen verbunden. Die Brennstoffstäbe sind parallel zueinander durch die Gitter geführt u/id v/erden oben und unten durch die Endplatten gehalten. Die Gitter können Ansätze besitzen, um die Brennstoffstäbe in seitlicher Richtung festzuhalten. Jeder Reaktorkern besteht aus einer Anzahl solcher Gruppen von Brennstoffstäben. Das als Moderator wirkende Kühlmittel, z. B. Wasser strömt aufwärts durch den Reaktorkern in den Kanälen, ctie den länglichen Strömungspfaden zwischen den Brennstoffelementen entsprechen und hat den Zweck, Wärme abzuführen.

ORIGINAL INSPECTED

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Eine Betriebsgrenze der üblichen Reaktoren ergibt sich durch die Bildung eines Films, der an der Oberfläche der Brennstoffstäbe siedet. Dieses Phänomen wird als Abweichung vom nuklearen Sieden (departure from nucleate boiling (DNB)) bezeichnet. Quantitativ drückt er sich in der Grösöe des Wärrneflusses aus der besteht, wenn DNB eintritt. Man bezeichnet dies als kritischen Wärmefluss oder CHP. Diese Bedingung wird beeinflusst durch den Abstand der Brennstoffstäbe, den Druck im System, den Wärmefluss, die Enthalpy des Kühlmittels und die Geschwindigkeit des Kühlmittels. Wenn die DNB eintritt, so ergibt sich ein schneller Temperaturanstieg an dem benachbarten Brennstoffstab wegen des geringeren Wärmeüberganges. Dieser kann zu einem Fehler oder Ausfall des Brennstoffstabes führen. Um daher die Sicherheits-Bedingungen einzuhalten, muss der Reaktor in einem bestimmten Bereich unterhalb von CHF und dem Punkt gefahren werden, bei dem DNB eintritt. Dieser Bereich wird als thermischer Bereich bezeichnet.

Kernreaktoren haben normalerweise Bereiche des Kerns, die einen höheren Neutronenfluss und eine höhere Leistungsdichte haben, als andere Bereiche. In diesen Bereichen höherer Leistungsdichte steigt auch die Enthalpy der Kühlflüssigkeit schneller an als in anderen Bereichen. Diese Bereiche bestimmen die Höchstlast des Reaktors und begrenzen die Leistung, weil der kritische thermische Bereich an diesen Stellen zuerst erreicht wird.. ■■-...

Um einen wirksameren Kontakt der Kühlflüssigkeit mit den Brennstoffstäben herzustellen und die Kühlflüssigkeit über den ganzen Kern zu verteilen, sind Ansätze* ' gemacht worden, eine schraubenförmige Bewegung der

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Kühlflüssigkeit in den Kanälen zwischen den Brennstoffstäben zu erzielen. Solche Konstruktionen sind in dem oben erwähnten US-Patent 3.379.619 und in den US-Patenten. 2.693.942, 3.344.855, 3.395.077 beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Konstruktion für ein Gitter in einem Reaktorkern anzugeben und es mit Wendelblechen über die Kühlflüssigkeit zu kombinieren. Auch sollen die Wendelbleche wirksamer gemacht werden.

Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die gewendelten Leitbleche bei den Schnittpunkten der Schienen mit deren oberen und/oder unteren Kanten so ■ verbunden sind, dass sie sich in Spiralform nach oben und/oder unten in einem Strömungskanal des Kühlmittels bis zu ihrem freien Ende erstrecken.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung haben die Leitbleche kreuzförmigen Querschnitt. Sie sind mit den Schienen an deren Schnittpunkt verbunden und bestehen aus einer Vielzahl von Leitblechen die spiralförmig angeordnet sind aber eine gemeinsame Achse besitzen. Die Leitbleche und die zugeordnete Schiene können aus einem einzigen Stück bestehen. Die Verbindung zwischen den Schienen kann durch Schlitze hergestellt werden. Wenn die Leitbleche und Schienen aus einem Stück bestehen, müssen auch die Leitbleche geschlitzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Gitterkonstruktion mit einem wirksamen Leitblech für die Kühlflüssigkeit zu kombinieren mit der Wirkung, dass eine Wirbelung entsteht an den Oberflächen der Brennstoffstäbe und auch eine Vermischung der Kühlflüssigkeit benachbarter

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Kanäle. Das Gitter mit den Leitblechen ist leicht herzustellen und der Konstrukteur kann das Optimum der Ablenkung dadurch erzielen, dass die Zahl der Kanäle geändert wird in denen Leitbleche angeordnet sind. Ausserdem ist es möglich, den Abstand zwischen den Gittern zu ändern und auch die Höhe frei auszuwählen bei der Leitbleche angeordnet sind.

Diese und andere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachstehenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellen.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines aus Brennstoff bestehenden Kerns für einen Kernreaktor, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird.

Die Figur 2 zeigt einen Draufsicht auf ein Gitter entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Die Figur 3 stellt perspektivisch eine Kreuzungsstelle des Gitters dar und das Wendelblech, das an dem Gitter bei der Kreuzungsstelle angebracht ist.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Einzelteile des Wendelblechs.

Die Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Gitter mit einem Wendelblech das der Form des Brennstabes angepasst ist.

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Oie Figur 7 stellt eine Seitenansicht des Gitters nach Figur 6 dar.

Die Figuren 8 und 9 zeigen die Einzelteile des Wendelblechs nach Figur 6.

Die Figur 10 schliesslich ist eine perspektivische Ansicht eines Gitters bei dem das Wendelblech mit den Teilen des Gitters aus einem Stück besteht.

Der Kern eines Kernreaktors, insbesondere die Brennstoffeinheit besitzt eine obere Endplatte 10 und eine untere Endplatte 12 mit Stützen 13. Zwischen beiden Endplatten kann eine Mehrzahl von Abstand haltenden Gittern 14 ange^· ordnet sein. Diese können auch mit den Stützen in Verbindung stehen, so dass sie in der richtigen Lage gehalten werden. Jedes Gitter kann mit einem schmalen Band 38 (Figur 6) in Verbindung stehen; das seinerseits mit einer der Stützen 13 verbunden ist. Man kann die Gitter auch auf andere Weise mit den Stützen 13 verbinden, z. B. in dem man sie unmittelbar anschweisst, so dass sie entlang der Brennstoff stäbe imirichtigem Abstand gehalten werden. Die Brennstoffstäbe 16 können durch die obere Endplatte 16 hindurchgeführt werden und gelangen dann durch Öffnungen im Gitter nach unten auf die untere Endplatte die sie abstützt. Die im Abstand voneinander angeordneten Brennstoffstäbe 16 begrenzen und bestimmen Kanäle 24, d.h. Strömungswege zwischen den Stäben durch die eine Kühlflüssigkeit z. B. Druckwasser im allgemeinen senkrecht aufwärts gepumpt wird. Der Kern eines Kernreaktors wird aus einer Vielzahl solcher Gruppen von Brennstoffstäben gebildet und die Erfindung wird im Bereich solcher Gruppen

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mit ihren Ablenkblechen und Wendelblechen verwirklicht. Die Kühlflüssigkeit strömt aufwärts durch Öffnungen in den unteren Endplatten 12 und weiter aufwärts durch die Gitter 14 und Kanäle 24 entlang den länglichen Brennstoff stäben 16 und aus der oberen Endplatte 10 heraus. Die Schienen 18 und 20 des Gitters schneiden sich innerhalb der Kanäle 24 für die Kühlflüssigkeit und Letztere strömt - wenn sie nicht abgelenkt wird im allgemeinen parallel zu den länglichen Brennstoffstäben. Diese parallel zu den Brennstoffstäben verlaufende Strömung ist es, die durch die Ablenkmittel nach der Erfindung gestört, abgelenkt und gewendelt werden soll.

Die Ablenk- und Wendelglieder für die Kühlflüssigkeit können auf den Abstandgittern 14 vorzugsweise an den Schnittpunkten 30 der Schienen 18 und 20 angebracht werden. Die Abstandgitter sind in bestimmten Abständen entlang der Längsausdehnung der Gruppe von Brennstoffstäben gemäss Figur 1 angeordnet. Diese Gitter können zu dem alleinigen Zweck angebracht werden, Wendelbleche gemäss Figur 3 zu tragen; sie können aber auch den zusätzlichen Zweck haben, die Gruppen von Brennstoffstäben auf Abstand fest zu halten.

Die Figur 2 zeigt Brennstoffstäbe 16, die durch Öffnungen 22 im Gitter 14 geführt sind, und zwar durch Öffnungen 22, die durch die sich schneidenden Schienen 18 und 20 gebildet werden. Diese Schienen 18 und 20 schrieiden sich etwa in der Mitte eines jeden Kanals etwa bei 24. Ihre Achse ist parallel zu den Brennstoffstäben 16 und ihr Querschnitt durch die vier benachbarten Brerm-

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Stoffstäbe 16 bestimmt. Die Wendelbleche 26 für die Strömung sind auf den Schienen 10 der Gitter an den Schnittpunkten 30 angebracht.

Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, sind die Gitterschienen 18 und 20 im wesentlichen gerade und dünne sich schneidende Metallschienen, die hochkant miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann an sich auf irgendeine bekannte Art und Weise folgenf vorzugsweise wird eine Verbindung nach Art der Eierkisten, bei denen alle Schienen einer Richtung nach unten von der oberen Kante her geschlitzt sind, etwa bis zur Hälfte ihrer Breite und in diesen Schlitzen die Schienen der anderen Richtung aufnehmen, die von unten her auf die Hälfte ihrer Breite geschlitzt sind. Eine solche Konstruktion bildet ein Gitter von sich schneidenden und in Eingriff miteinander stehenden Schienen. Die Schiene 18 wird also so mit der Schiene 20 verbunden, dass die Schlitze der Schiene 20 nach unten in die Schlitze der Schiene 18 und über den festen Teil der Schiene 18 geschoben werden. Die Befestigung kann auch durch Verschweis sung und ohne Schlitsung der Schienen geschehen. Das Wendelblech 26 hat einen kreuzförmigen Querschnitt, um die Stärke und Starrheit zu gewährleisten, die nötig ist, um das Wendelblech in der richtigen Stellung und gegen waagerechte Bewegung oder Vibration festzuhalten. Das eine Ende des Wendelbleches ist mit dem Gitter auf irgendeine geeignete Weise verbunden, z. B. durch Schweissung oder durch Herstellung aus einem Stück. Vorzugsweise ist dieses eine Ende des Wendelbleches am Schnittpunkt der Gitterschienen angebracht und das Wendelblech ist vom Gitter aus gesehen nach aussen vorzugsweise in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit

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innerhalb des Strömungsweges angebracht. Das andere Ende des Wendelbleches ist frei. Das Wendelblech hat kreuzförmigen Querschnitt, der um seine Mittellinie 32 spiralförmig gebogen ist, um so eine spiralförmige Führung für die Kühlflüssigkeit, ζ. B. Druckwasser zu bilden und Letztere zu veranlassen, in einen spiralförmigen Weg zu strömen. Der Grad der Wendelung kann frei gewählt werden von wenigen Winkelgraden bis zu mehr als 360°. Diese Bemessung hängt davon ab, welcher Druckabfall zugelassen wird, welche Zahl von wendelnden Blechen vorgesehen ist und um welchen Betrag die Kühlflüssigkeit von der graden Richtung abgelenkt werden soll. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Wendeiblech etwa eine Ausdehnung von 25 mm vom Gitter aus gesehen und ist um etwa 90 gewendelt.

Die Bleche können aus ineinandergesteckten Blechstreifen 34 und 36 (Figur 4 und 5) bestehen um daraus den kreuzförmigen Querschnitt zu bilden. Sie können aber auch von einem festen Stück entsprechend gezogenen Materials abgeschnitten werden. Sie werden einzeln in die gewünschte Spiralform gebogen.

In den Figuren 2 und 3 sind die Wendelbleche dargestellt, wie sie aus den Teilen 34 und 36 (Figur 4 und 5) hergestellt werden. Die beiden Bleche 34 und 36 werden mit den Schlitzen ineinandergeschoben, dann mit einem Ende an einem Kreuzpunkt der Schienen angeschweisst, um die Mittellinie 32 gewendelt, so dass ein Wendelblech entsteht, dessen Leitflächen radial nach aussen von der Mittellinie 32 sich erstrecken und spiralförmig um und entlang der Mittellinie 32 angeordnet sind, die ihrerseits geometrisch gesehen wiederum eine Fortsetzung

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der Schnittlinie der beiden Schienen ist.

Wie in den Figuren 6, 7, 8 und 9 gezeigt, können die Wendelbleche 38 so geformt sein, dass ihre Kanten der Form der benachbarten Brennstoffstäbe entsprechen. Sie werden aus den Blechen 40 und 42 zusammengesteckt und ähnlich den Wendelblechen 26 gebogen.

Man kann die Wendelbleche auch aus einem Stück mit den Schienen für die Gitter herstellen. In diesem Falle müsste man eine Gitterschiene, z. B. 20 mit einem Ansatz 44 versehen (Figur 10). Diese Schiene wäre bei 46 zu schlitzen,um in diesem Schlitz die Schiene 18 mit ihrem oberen Ansatz aufzunehmen. Dieser obere Ansatz 48 wäre bei 50 zu schlitzen. Die Ansätze 46 und 48 wären nach dem Zusammenbau der Schienen lö und 20 miteinander zu verschweissen und dann so zu biegen, dass die Form, wie sie in den Figuren 2 und 6 gezeigt wird, hergestellt wird.

Die Wendelbleche im Strömungsweg der Kühlflüssigkeit veranlassen die Letztere zu einer rotierenden Bewegung und zu einer Strömung in einem spiralförmigen Weg, um die Achse des Kanals oder Strömungsweges, so dass die Kühlflüssigkeit benachbarter Kanäle miteinander vermischt wird. Dadurch entsteht eine grössere Dichte des Wassers das an die Brennstoffstäbe unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft herangeführt wird.

Wenn die Wendelbleche alle in der gleichen Richtung gewendelt sind, unterstützen sie sich gegenseitig im Bereich irgend eines einzelnen Brennstoffstabes

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in dem Bestreben, die dichtere Kühlflüssigkeit zentrifugal gegen die Brennstoffstäbe zu führen, und zwar in einer aufwärts gerichteten Spirale um die Brennstoffstäbe herum. Dadurch wird die Kühlwirkung erhöht.

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Claims

Patentansprüche

1.))aus Gruppen von senkrecht stehenden länglichen Brennstoffstäben bestehender Reaktorkern der zwischen den Endplatten der Gruppen durch Gitter versteift ist, die aus sich kreuzenden Schienen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass gewendelte Leitbleche bei den Schnittpunkten (3O)mit den oberen und/oder unteren Kanten der Schienen so verbunden sind, dass sie sich in Spiralform nach oben und/oder unten in einen Strömungskanal des Kühlmittels bis zu ihrem freien Ende erstrecken.

2.) Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelbleche (26, 38) kreuzförmigen Querschnitt haben.

3.) Reaktorkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelbleche (26, ό8) mit den Schienen (14) arxitiren Kreuzungspunkten (30) verbunden sind.

4.) Reaktorkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (26, 38) eine Anzahl von spiralförmigen Leitflächen mit gemeinsamer Achse aufweisen.

5.) Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leitblech (26) und eine Schiene (18, 20) aus einem Stück bestehen.

6.) Reaktorkern nach Anspruch 1, dass je ein Wendelblech (44, 48) und je eine Schiene (30, 18) aus einem Stück bestehen.

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7.) Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz durch den die Schienen miteinander verbunden sind,in der oberen Schiene von unten nach oben und in der unteren Schiene von oben nach unten durch das Wendelblech hindurch geführt ist.

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