DE2326151A1 - Kernreaktor-brennstoffelementanordnung - Google Patents

Description

DIPL..-I]VG. H. MARSCH 4 düsskidohf,

DIPL.-ING. K. SPARING ^ΓοηΤΓΓ"" "

PATENTANWiXTE TXLKfON (03 11) β733 4·

der Combustion Engineering Inc., Windsor, Connecticut o6o95, USA

betreffend

Kernreaktor-Brennstoffelementanordnung nach Patent ...

Die Erfindung betrifft eine KernreaktorTBrennstoffelementanordnung mit einer Vielzahl von parallel in Reihen angeordneten Brennstoffelementen und Einrichtungen zur Abstützung der Brennstoffelemente mit gegenseitigem Abstand zur Ausbildung von Längs-Kühlmittel-Kanälen zwischen diesen, nach Patent ... (Patentanmeldung AZ 46/99 der Anmelderin vom gleichen Tage)·

Der Brennstoff oder das spaltbare Material für Kernreaktoren wird üblicherweise in Form von Brennstoffelementen oder Stäben verwendet, die wiederum in den. Reaktoren bündelweise gruppiert sind, wobei diese Bündel Brennstoffelementgruppen umfassen, In der Brennstoffelementgruppe ist ein langgestrecktes Stützglied vorgesehen, um die Brennstoffelemente oder Stäbe vertikal abzustützen. Eine Vielzahl von in Längsrichtung mit Abstand angeordneten Gittern erstreckt sich quer zu diesen Abstützungen und ist an diesen befestigt. Die Brennstoffstäbe wiederum erstrecken sich in Parallelanordnung durch Öffnungen in den Gittern und werden vertikal durch den Boden—Endabschnitt der Abstützung abgestützt· Jedee Gitter weist Einrichtungen zum seitlichen Auf-Abstand-Halten der Brennstoffstäbe auf. Die Kernreaktoren weisen eine Vielzahl derartiger Brennstoff-

309884/0434

elementgruppen auf, welche den Reaktorcore bilden. Das flüssige Moderator-Kühlmittel, normalerweise Wasser, fliesst durch die Reaktoren in den Kanälen zwischen den Brennstoffelementen nach oben, um die Wärme abzuführen. Für eine detailliertere Beschreibung einer typischen Brennstoffelementgruppe oder Brennstoffelementanordnung dieser Art wird auf die USA-Patentschrift 3 379 619 verwiesen.

Bei den in Betrieb befindlichen Reaktoren werden Einschränkungen der Betriebsmöglichkeiten dadurch hervorgerufen, dass sich an der Oberfläche der Brennstoffelemente ein sogenanntes Filmsieden bildet. Diees Phänomen wird üblicherweise qualitativ als Abweichung vom Keim- oder Kernsieden (DNB) und quantitativ als kritischer Wärmefluss (CHF) oder Wärmebetragsfluss beschrieben, der auftritt, wenn DNB vorliegt. Diese Betriebsbedingung wird durch den Abstand der Brennstoffelemente, dem Systemdruck, den Wärmefluss, die Kühlmittelenthalpie und die Kühlmittelgeschwindigkeit beeinflusst. Wenn ein sogenanntes DNB auftritt, steigt die Temperatur der Brennstoffelementummantelung schnell an, weil die Wärmeübertragung produziert wird, wodurch die Ummmantelung im allgemeinen defekt wird. Um daher einen Sicherheitsfaktor zur Verfügung zu haben, muss der Reaktor beträchtlich unterhalb des CHF und demjenigen Punkt, an dem DNB auftritt, betrieben werden. Dieser Bereich wird normalerweise als "thermischer Spielraum" bezeichnet.

Kernreaktoren weisen im Core normalerweise Bereiche auf, die einen höheren neutronischen Fluss und eine höhere Energiedichte als die anderen Bereiche aufweisen. Dies kann durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, von denen einer das Vorliegen von Kontrollstabkanälen im Core ist. Wenn die Kontrollstäbe zurückgezogen werden, werden die Kontrollstabkanäle mit Moderator gefüllt, wodurch die lokale Moderatorkapazität gesteigert und daher die in dem angrenzenden Brennstoff erzeugte Wärme vergrössert wird. In diesen Beieichen hoher Energiedichte,, bekannt als "heisse Kanäle", steigt die Kühlmittel-

309884/043

enthalpie stärker an als In den anderen Kanälen. Diese Kanäje .bestimmen die maximale Betriebs Bedingung für den Reaktor iind begrenzen die erzeugbare Leistung, da in diesen Kanälen, der kritische thermische. Spielraum zuerst erreicht "wird.

Es hat sich herausgestellt, dass ein Kühlmittelstrom, der zu den. Brennstoff elementen schräg geneigt ist, für den kritischen Wärmefluss einen höheren Wert ergibt, wahrscheinlich deshalb,-weil eine derartige Strömung die Bildung von Dampfblasen und Schichten überhitzten Wassers oder Leerräumen verhindert, welche unmittelbar vor dem DUB bei einer Parallelströmung beobachtet werden können. Es hat sich auch herausgestellt, dass Mischflügel oder Strömungsdeflektoren, die in den Strömungskanälen des Kühlmittels eines Reaktorcores angeordnet sind, Kühlmittel von verschiedenen Kanälen mischen und hierdurch die Tendenz haben, den Einfluss der heissen Kanäle zu reduzieren. Durch die Durchmischung wird der hohe Kühlmittelenthalp,Ieanstieg in den heissen Kanälen herabgesetzt, wobei die Wärmeaufnahme des Kühlmittels über den gesamten Gorequerschnitt ausgeglichen wird, Durch beide Effekte wird ei möglich, dass der Reaktor auf einem höheren Iieistungsniveau betrieben werden kann, wobei immer noch ein thermischer Sicherheitsspielraum eingehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Anordnung*von Strömungsdeflektoren für Kühlmittel im Reaktorcore zu schaffen. Dabei sollen die Strömungsdefiektoren eine effektive Verwirbelung der Kühlmittelströmung nahe der Oberfläche der Brennstoffelemente sicherstellen und eine Durch— mischung der Kühlmittelströmung in den verschiedenen Kanälen bewirken. Die Strömungsdeflektoren sollen eine einheitlichere Bespülung der Umfangsflachen der einzelnen Brennstöffelementstäbe gewährleisten. Die· Herstellung und die Installierung sollen durch die Strömungsdeflektoren nach der Erfindung erleichtert werden.

309*84/0434

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch Einrichtungen 4o zum seitliehen Ablenken des durch die jeweiligen Strömungskanäle fliessenden Kühlmittels, welche die folgenden Teile aufweisen; .

I. langgestreckte Streifen 42, 7o aus dünnem, plattenförmigen Material, welche in den Eetz-Zwischenräumen zwischen den Reihen der Brennstoffelemente angeordnet sindj -".;■■ .· -■.·■■■-. ■ ■■:; ν ;." ν : v-. -. ..-

II. eine Vielzahl vo.n an den Bändern vorgesehenen, einstückig ausgebildeten Deflektorflügein 46, 46', 72, die an mit Abstand gelegenen Stellen an diesen angeordnet sind;

III. einem an jedem der Deflektorflügel 46, 46', 72, vorgesehenen Paar von Armen 5o, die sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken, jeder in einen benachbarten Strö— mungskanal 38, wobei die Deflektorflügel nach aussen in Richtung des Kühlmittelstromes divergieren und mit ihren , Seitenkanten 54 mit Abstand von der Oberfläche der ,benachbarten Brennstoffelemente angeordnet sind; und

IV. Einrichtungen 68 zum festen Anbringen der Bandstreifen an der Brennstoffelementanordnung.

Bei der Erfindung sind also in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Brennstoffelementenreihen Strömungsdeflektoren für das Kühlmittel vorgesehen. Dabei haben die Deflektoren die , Form langgestreckter Metallbänder oder Metallstreifen, welche jeweils in Längsrichtung mit Abstand angeordnete Deflektorflügel aufweisen, die daran ausgebildet sind. Die Flügel weisen jeweils zwei winkelmässig versetzte Arme auf, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sich eine wirkungsvollere Ablenkung des flüssigen Kühlmittels bezüglich der Brennstoffelemente und der zwischen diesen ausgebildeten Kanäle ergibt.

309884/0434

Die Bänder können als individuelle, parallele Streifen angeordnet oder gitterähnlich miteinander verbunden sein. Weiterhin können sie unabhängig an der Brennstoffelementgruppe.abgestützt oder am Abstandsgitter für die Brennstoffelemente angebracht sein.

Gegenüber der im.Hauptpatent beschriebenen Vorrichtung hat die erfindungsgemässe Anordnung den Vorteil, dass die 3? lüg el einstückig an langgestreckten Metallbändern ausgebildet sind. Die einzelnen Bänder sind so angeordnet, dass sie wechselseitig gitterartig miteinander verbunden werden können, wodurch sich eine einheitliche Struktur ergibt, die sich dann auf das Stützgitter aufsetzen lässt. Die einheitliche Flügelstruktur lässt sich weiterhin erfindungsgemäss dadurch versteifen, dass im Bandmaterial nahe den jeweiligen Flügeln Verdrehungen vorgesehen sind.

Weitere Merkmale, und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind.. Dabei zeigt:

Figur 1 ⁴. ■

eine brennstoff element anordnung in der Ansicht, webei Strömungsdeflektoren naoh der Erfindung eingebaut sind;^

Figur 2

in perspektivischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Strömungsdeflektorsj

Figur 5

in der Draufsicht, teilweise weggebrechen, den Strömungsdeflektorvon Figur 2;

Figur 4 -■ ·

in der Endansicht den Strömungsdeflektor entlang der Linie 4-4 von Figur 3;

303884/0434

«· 6 — -

Figur 5 ^;

eines der Bandelemente vor dem Verformen in der Draufsicht; V

J¹IgUr 6 eine Ansieht entlang der Linie 6-6 von Figur 5} ;

Figur 7 ein anderes der Bandelemente vordem Verformen in der Dräuffi-;s IT

Figur 8 - . ■

eine -^nächt entlang der Linie 8-8 von Figur 7; :

Figur 9 . " , das Bandelement von Figur 5 nach dem Verformen in der Draufsicht;

Figur 1· eine Ansieht entlang der Linie Ι0-Ι0 von Figur 9;

Figur 1t das Bandelement von Figur 7 nach dem Verformen in der Drauf-.

sieht;

Figur 12 eine Ansicht entlang der Linie 12-12 von Figur 11;

Figur 13 einen vergrösserten Schnitt entlang der Linie 13-13 von Figur

Figur 14 einen vergrösserten Schnitt entlang der Linie 14-14 von Figur 3;

Figur 15 einen Streifen des Abstandshaltergitters in der Ansieht vor dem Zusammenbau;

309884/0434 C- "^/Ί

Figur 16 einen;Blick;entlang der Linie 16-16 von figur t5; -■

figur 17 in der Seitenansicht einen anderen Abstandsgitterstreifen vor dem Zusammenbau;

eine Darstellung entlang der Linie 18-18 von figur 17; ^: " i

figur 19 eine perspektivische Darstellung eines andereen Ausführungs— beispieles des erfindungsgemässen Strömungselements;

figur -2o :■':■:- in der Draufsicht, teilweise weggebrochen, den Strömungs— deflektor von figur 19; . -

figur 21 einen seitlichen Schnitt entlang der Linie 21-21 von figur 2a.

In figur 1 ist eine typische heterogene Kernreaktοr-Brennstoffelementegurppe 1o dargestellt, welche eine Vielzahl von aufrecht stehenden, parallelen Brennstoffelementen 12 aufweist, die durch obere und untere Halterungen 14 bzw. 16,in ihrer Stellung gehalten werden* Weiterhin weist die Brennstoffelementgruppe 1o eine Vielzahl hohler, zylindrischer führungsrohre 18 auf, die sich im wesentlichen über dieselbe Länge wie die Brennstoffelemente 12 erstrecken. Kontrolletabe-(nicht gezeigt) lassen sich innerhalb der führungsrohre 18 bewegen., um so den Betriebszustand des Eeaktorcores in bekannter Weise zu regulieren. Das Core eines Kernreaktors besteht aus einer Vielzahl derartiger Brennstoffelementgruppen 1o_r wobei in derartigen Brennstoffelementgruppen erfindungsgemässe Eühlmitteldeflektoren angeordnet sind.

An in Längsrichtung mit Abstand angeordneten Stellen entlang

«· ο —

der Lange der Brennstoffelementgruppe 1o "befinden sich Brennstoff elementabstützungen 2o, welche den seitlichen Abstand der Stoffelementabstützungen 2o, welche,den seitlichen Abstand der die Brennstoffelementgruppe bildenden Brennstoffelemente gewährleisten und diese abstützen. Jede der ,Abstützungen weist eine Vielzahl von einander sich schneidenden, dünnen Platten auf, welche als Gitterstreifen 22, 24 bezeichnet werden. Diese Gitterstreifen weisen eine serpentinenförmige Konfiguration auf, so dass sich feste Anschläge 26 bilden, gegen welche die Stützteile der Brennstoffelementanordnung .mittels gestanzter, elastisch federnder Pinger 28 gepresst werden, welche mit der Oberfläche der Stützteile an Stellen in Berührung stehen, die von den festen Anschlägen entfernt liegen.

Bei der Herstellung der Brennsteffelementabstützungen 2o werden die Gitterstreifen 22 (Figuren 11 und 12) zu einander parallel, jedoch- die Gitterstreifen 24 (figuren 13 und 14) schneidend angeordnet, welche wiederum unter sich parallel sind. An entlang jedem der Gitterstreifen mit Abstand angeordneten Stellen sind Verriegelungsschlitze 5o vorgesehen, welche dazu dienen, die Streifen in einer Gitteranordnung zu halten, wie es sich am besten aus Figur 2 entnehmen lässt. Die Verriegelungsschlitze 3o sind entlang der oberen Kante 32 der Streifen 22 und entlang der Unterkante 34 der Streifen 24 angeordnet, so dass die Streifen, wenn sie zusammengesetzt werden, einen sogenannten "Lichtgit'terrost" bilden, der eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten Kammern 36 aufweist, die kreuzgitterförmig angeordnet sind und durch welche sich die Stützteile erstrecken. ^

Aus Figur 2 lässt sich entnehmen, dass die Brennstoffelemente 12 jeweils in einer der Kammern 36 der Abstützungen 2o angeordnet sind und dort durch die Wirkung der Pederfinger 28 festgehalten werden, welche die Elemente gegen die festen Anschläge 26 drücken. Hierdurch wird bewirkt, dass die Brennstoffelemente 12 im wesentlichen gleichmässig auf Abstand gehalten werden. Die Konfiguration der Brennstoffelementabstützungen 2o ist

_mm/Q

30 gewählt, dass die Brennstoffelemente 12 nach Art eines rechtwinkligen Kreuzgitters angeordnet sind, wobei der durch die aneinander'anatossenden Quadranten von vier benachbarten Brennstoffelementen gebildete Raum im folgenden als "Kanal" 38 bezeichnet wird. Das flüssige Kühlmittel, welches aus dem Reaktorcore Wärme abführt, strömt im wesentlichen in Längsrichtung durch diese Kanäle 38.

Erfindungsgemäss ist ein Kühlmittel-Strömungsdeflekter vorgesehen, der innerhalb der Brennstoffelementgruppe das entlang der Kanäle 38 strömende flüssige Kühlmittel ablenkt, und so die Durchmischung des Kühlmittels mit dem entlang benachbarter Strömungskanäle fliessenden zu fördern und ein effektives Umspulen der Oberfläche der festgehaltenen Brennstoffelemente 12 zugewährleisten, beides Effekte, duroh welche der Reaktorbetrieb verbessert wird. Allgemein weist die erfindungsgemässe Vorrichtung verdrehte, dünne Metallbandstreifen auf, an denen einstückig Deflektorflügel zur Strömungsablenkung angeformt sind, Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Anordnungen vorgesehen, bei denen die Bandstreifen in G-itteranordnung angeordnet sind und eine giterähnliche Struktur bilden, welche in der Zeichnung mit 4o bezeichnet ist.

Die erfindungagemäsee Strömungsdeflektorvorrichtung kann in der Brennstoffelementgruppe to in Längsrichtung mit Abstand von den jeweiligen Brennstoff«elementabstützungen 2· angeordnet werden, wobei die Bandstreifen, welche die Vorrichtung bilden, an den Brennstoffelementen 12 angeschweisst oder auf andere Weise an diesen befestigt sind. Vorzugsweise jedoch, wie ,es auch im nachfolgenden beschrieben wird, ist die Strömungsdeflektorvorriohtung so ausgebildet, dass sie auf den Brennstoffelementabstützungen 2o angrenzend angeordnet werden. Bei dem in den figuren 2 bis 18 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindunf weisen die duroh die Anordnungen 4o gebildeten Strömungsdeflektorvorrichtungen eine Vielzahl von rechtwinklig angeordneten Bandstreifen42, 44 auf, welche ein Raumgitter mit Einzelgittern

309884/0434

bildet, die auf die Abstützungen 2o, durch, welche sich die Brennstoffelemente 12 erstrecken, aufgelegt sind. Obwohl die Bandstreifen 42 und 44 in ihren strukturellen Details leicht voneinander abweichen, bestehen sie jedoch beide im wesentlichen aus dünnen, gestanzten Metallteilen (Figuren 5 bis 8), wobei eine Vielzahl von Strömungsdeflektorflügein 46 und 46' einstückig daran ausgebildet und mittels Verbindungssegmenten 48 damit verbunden ist. .

Die Flügel 46 oder 46· haben eine um ihre Längsachse und um ihre Seitenachsen symmetrische Konfiguration. Jeder Flügel weist Arme 5o auf., die sich, von entgegengesetzten Seiten ■ der Verbindungssegmente 48 erstrecken.. Die Arme 5o sind, wie gezeigt, an ihrer Basis breiter als ihre Spitzen 52. und weisen gekrümmte Seitenkanten 54 auf, die sich zwischen der Basis unckfer Spitze erstrecken. Die Krümmung der Seitenkanten 54 ist so besohaffen, dass sich beim endgültigen Zusammenbau eine gekrümmte Kante ergibt, die die Brennstoffelemente 12 konzentrisch, mit Abstand umgibt und so eine Hingöffnung 56 (Figur 3) bildet, durch welche das Kühlmittel strömen muss. Die Arme 5o sind in ihrer Betriebsstellung winkelmässig nach oben von der Ebene des Verbindungssegmentes 48 in der Richtung der Strömung des Kühlmittels durch die Brennstoffelementgruppe 1o versetzt. Hierdurch bildet die Unterseite eine Ablenkfläche, durch welche der Strömungsmittelfluss seitli.ch von einem Strömungskanal 38 zum benachbarten Kanal abgelenkt wird.

Die Stanzteile, welche die jeweiligen Bandstreifen 42 und 44 bilden, weisen weitere Strukturmerkmale auf, welche die Herstellung der Deflektoranordnungen 4o erleichtern. Die Stanzteile, (Figuren 5 und 6), aus welchen die Ban'dstreifen 42 gebildet werden, weisen im Bereich, des Flügels 46 einen engen, langgestreckten Schlitz 58, der sich, quer zum Flügel erstreckt. Der Schlitz 4 58 dient dazu, einen Teil des Verbindungssegmentes 48 eines ihnSchneidenden Bandstreifens aufzunehmen, wodurch dieser vor dem Schweissen in seiner Stellung gehalten wird.

309884/0434 "^/u

Die Stanzteile, aus denen die Bandstreifen 44 gebildet werden, weisen andererseits sehmale Schlitze 60 auf, welche si en im wesentlichen mit den Flügelarmen 5 ο erstrecken, si eil an deren Spitze 52 öffnen und an ihrem geschlossenen Ende durch einen Verbindungssteg: 62 getrennt sind». Diese Schlitze dienen dazu, das Verbindungsteil eines schneidenden Bandstreifens aufzunehmen und dieses vor dem Schweissen gabelartig aufzunehmen.

Beide Stanzteilformen weisen an ihren oberen Seitenkanten 63 Vorsprünge 64 auf, die am Mittelpunkt jedes Verbindungssegmentes 48 zwischen den jeweiligen flügeln 46 oder 46^f angeordnet sind. Diese Vorsprünge werden beim Zusammenbau zentral hinsichtlich der Fassungen in den Flügeln 46 aufgenommen, welche die jweiligen Verbindungssegmente 48 aufnehmen, und bilden Schweissmetalliager, von denen bei 65 in der Zeichnung einige gezeigt sind und die zur Herstellung der Schwelssverbindung zwischen den Bandstreifen dienen* Die Verbindungssegmente 48 der den Bandstreifen 52 bildenden Stanzteile weisen zusätzlich Ausnehmungen 66 auf, die hier als kreisförmig ausgebildet gezeigt sind, und^welche an der unteren Kante 67 angeordnet sind. Beim Zusammenbau wird so vorgegangen, dass die Ausnehmungen 66 die Verbindungsstege 62 in den Flügeln 46 der Bandstreifen 44 spreizen, so dass die Unterkanten der Verbindungssegmente 48 an den Oberkanten der Stützgitterstreifen anliegen*

Wie sich aus Figur 9 bis 12 der Zeichnung ergibt, werden die Stanzteile, welche die Bandstreifen 42 und 44 bilden, vor dem Zusammenbau in der Weise weiter geformt, dass die Flügel 46 und 46' in eine Stellung gebracht werden, in der sie im wesentlichen normal zur Ebene der Verbindungssegmente 48 liegen. Durch diese Operation werden,^ÄSmxÜ)9j nahe jedem Ende der betreffenden Flügel Verdrehungen erzeugt. Danach werden die Arme 5o der flügel nach oben gehoben, wobei die Längsachsen der Flügel als Biegelinien dienen* Hierdurch wird, wie in Figur 13 und 14 gezeigt, erreicht, dass die Bauteile im wesentlichen V-förmig im Querschnitt sind.

../12 309884/0434

Beim endgültigen Zusammenbau werden die Bandstreifen 42 und 44, wie in Figur 3 dargestellt, zusammengebaut, wobei diese in Gitteranordnung und in alternierende Stellung gebracht werden. Die Verbindungssegmente 48 auf den jeweiligen Streifen werden in den Schlitzen 58 aufgenommen, die in den Flügeln 46 der Bandstreifen 42 vergesehen sind, ©der in den Schlitzen 6o, die in den ^lügelarmen 5ο der Bandstreifen 44 vorgesehen sind, gespreizt. Die VorSprünge 64 an den Verbindungssegmenten 48 werden zentral auf den Flügeln angeordnet, welche sie aufnehmen, woraufhin eine Schweissung durchgeführt wird, um die Vorsprünge aufzurichten, wodurch Schweissraupen 68 erzeugt -werden, welche die einzelnen Bauteile miteinander verbinden.

Wie sich am besten "aus Figur 3 und 4 der Zeichnung entnehmen lässt, werden die Strömungsdeflektoranordnungen 4o in der Brennstoffelementgruppe 1o so angeordnet, dass die Flügel 46 und 46· vertikal mit den Schnittpunkten der Gitterstreifen 22 und 24 ausgerichtet werden, welche die Brennstoffelementabstützungen 2o bilden. Die Einrichtung 4o kann, wie bei 57 gezeigt, mit der Gitterstruktur an diesen Punkten stumpf verschwelest werden. Auf diese V/eise werden alle Flügel 46 und 46' im Mittelpunkt jedes Strömungsmittelkanals 38 angeordnet, Zusätzlich hierzu werden die jeweiligen Bandstreifen 42 und 44 derart angeordnet, dass die Flügel 46 und 46' alternierend um jedes Brennstoffelement 12 angeordnet werden, wobei jeder Flügel im wesentlichen rechtwinklig zu den benachbarten Flügeln liegt. Die resultierende Struktur hat zur Folge, dass die Arme 5o an den jeweiligen Flügeln zwischen benachbarten Brennstoffelementen 12 liegen, wobei die Seitenkanten 54 im wesentliehen mit gleichförmigem Abstand von der Oberfläche des benachbarten Brennstoffelementes angeordnet sind und so Strömungsräume 56 bilden. Wie dargestellt, ist jedem Brennstoffelement 12 ein Arm 5o von vier benachbarten Flügeln 46 und 46 · zugeordnet, und zwar in der Weise, dass jedes Brennstoffelement 12 um seinen Umfang durch vier ^lügelarme 5o eingeschlossen ist, wodurch sich eine im wesentlichen ringfömiger Strömungskanal 56 ergibt.

../13 309804/0434

Strömt beim Betrieb des Reaktors flüssiges Kühlmittel nach oben durch die Brennstoffelement gruppe 1o nach eben, so lenken die Strömungsdeflektorflügel 46 und 46· der Anordnungen 4o das strömende Fliessmittel von den durch die jeweiligen Strömungskanäle 38 definierten Strömungswegen ab und richten es von seiner ursprünglichen Richtung np ch aupsen wnd dafit in Ströffungskentakt γϊΛ den Oberflächen der benachbarten Brennstoffelemente 12. Ausserdem mischt sich dabei das Kühlmittel mit dem Fliessmittel, welches durch die benachbarten Strömungskanäle fliesst.

Wegen der alternierenden Anordnung der flügel 46 und 46' erfolgt die Zirkulation der Strömung um benachbarte Brennstoffelement! 12 in entgegengesetzter Richtung, wie durch die Pfeile 57 in Figur 3 angezeigt. Hierdurch ist die Zirkulation des Strömungsmittels um die Brennstoffelemente alternierend in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeige,rriohtung. Durch diese Wirkung der Strömungedeflektoren werden prinzipiell drei verschiedene Effekte erzielt. Zunächst einmal wird das Strömungsmittel unmittelbar benachbart zur Oberfläche der jeweiligen Brennstoffelemente 12 verwirbelt. Hierdurch wird jede DNB-Bedingung eliminiert, indem nämlich anstelle eines stufenförmigen Übergangs von Kernsieden zum stabilen Filmsieden ein gradueller Übergang geschaffen wird. Zum zweiten besteht die Wirkung darin, dass die Durchmisohung des Kühlmittels, welches entlang der verschiedenen Strömungskanäle 38 strömt, verbessert wird. Durch diese Durchmisohung ergibt sich, dass die Unterschiede in der Kühlmitteltemperatur zwischen den verschiedenen Strömungskanälen reduziert werden, wodurch der starke Kühlmittel-Enthalpieanstieg in den heissen Kanälen abgesenkt und dementsprechend die Kühlmitteltemperaturen über den gesamten Corequerschnitt einheitlicher eingestellt werden. Als drittes bewrikt der durch jeden Deflektorflügel 4o gegebene Widerstand, dass die Geschwindigkeit des Kühlmittels sich beim Strömen durch die Räume 5o' nahe den Brennsteffelementen 12 erhöht. Durch diese Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird der

../14

309884/0434

Fihnkoeffizient zwischen den Brennstoffelementen 12 und dem strömenden Kühlmittel verbessert, wodurch sich die Wärmeübertragung ebenfalls verbessert.

Die beschriebene Strömungsdeflektoranordnung weist noch weitere Vorteile auf, verglichen mit ähnlichen bekannten Vorrichtungen. Infolge der einheitlichen Strömungsblockierung in den jeweiligen Strömungskanälen, welche darauf zurückzuführen ist, dass die Flügel identisch ausgebildet und jeweils im geometrischen Mittelpunkt jedes Strömungskanals angeordnet sind, wird eine grössere Grleiohmässigkeit oder Homogenität der Kühlmittel-Strömungsfccharakteriatiken erzielt. Da die Deflektorflügel ausserdem so ausgebildet sind, dass sie an ihrer Basis ein grösseres Strömungshindernis bilden, wird in den verschiedenen Strömungskanälen ein grösserer Kühlmittelbetrag positiv abgelenkt. Dadurch, dass das Ausmass des StrömungsBd/ttels-Bypassens in dieser Weise reduziert wird, wird eine effektivere Durehmischung des Kühlmittels erreicht.

Dadurch, dasa die Deflektorflügel um ihre Längsachse und um ihre Seitachsen symmetrisch ausgebildet aind, werden die nachfolgenden verbesserten Ergebnisse zusätzlich erreicht. Zunächst einmal wird es durch diese Konfiguration möglich, dass die Flügel über den gesamten Querschnitt der Reaktor-Brennstoffelementgruppe in einem regelmässigen Muster angeordnet werden. Durch diese Anordnung ergibt sich eine im wesentlichen gleichförmige Ablenkung des strömenden Kühlmittels hinsichtlich jedes Brennsteffelementes. Während die Ablenkungsrichtung der Flüssigkeit bezüglich der alternierenden Brennstoffelemente bei der hier beschriebenen Anordnung entweder in Uhrzeigerrichtung oder in ffegenuhrzeigerrichtung erfolgt, haben die Strömungskanäle alle im wesentlichen gleichen Querschnitt, se dass jedes Brennstoffelement durch im wesentlichen denselben Betrag an strömendem Kühlmittel, welches im wesentlichen mit der selben Geschwindigkeit fliesst, bespült wird. Hierdurch wird natürlich, die Einheitlichkeit des Betriebes des Reaktoreores über seinen

../15

3Q9884/0U4

gesamten Querschnitt verbessert,

Me symmetrische Konfiguration der Deflektorflügel reduziert zusammen mit der Befestigung am Schnittpunkt der Gitterstreifen im geometrischen Mittelpunkt'der Strömungskanäle den Einfluss von Abstützungsschwingungen auf die Brennstoffelemente« Dementsprechend wird die Möglichkeit eines Reibens der jeweiligen Elemente reduziert. Infolge der Anordnung der Elemente in der beschriebenen Vorrichtung sind die auf jeden Flügel ausgeübten Kräfte gleich und entgegengesetzt, wodurch sich insgesamt ergibt, dass keine wesentlichen seitlichen Kräfte auf die jeweiligen Gitterstreifen ausgeübt werden. Auch wird das Auftreten jedes Verärehungsmomentes zwischen ihnen vermieden, welches zu schädlichen Schwingungen führen könnte. Da die Flügel mit den verdrehten Verbindungsgliedern in der beschriebenen Weise körperlich verbunden sind, ergibt sich eine starrere Struktur.

In den Figuren 19 und 21 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, welches eine etwas, weniger bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Bei diesem Ausführungsbeipsiel weist der Strömungsdeflektor, anstatt in ähnlicher Weise wie die bereits beschriebene Anordnung als Gitter ausgebildet zu sein, individuelle Bandstreifen 7o auf, die wechselseitig parallel angeordnet sind und sich durch die Brennstoffelementgruppe 1o in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Eeihen von Brennstoffelementen 12 erstrecken. Die Bandstreifen 7o weisen in Längsrichtung mit Abstand angeordnete Flügel auf, welche als 72 gezeigt sind. Diese haben im wesentlichen dieselbe Konfiguration wie die Flügel 46 und 46', welche bei dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet werden. Sie sind an der Oberkante der Brennstoffelementabstützung befestigt, wobei ein Satz von Gitterstreifen, hier als Bauteile 22 gezeigt, Schweissvorsprünge 74 zum Befestigen der Streifen aufweisen. Die Befestigung erfolgt dadurch, dass die Schweissvorsprünge 74 durch langgestreckte Öffnungen 76 geführt werden, welche den Bandstreifen etwa im Mittelpunkt der

309884/0434 ../₁₆

Flügel 72 angeordnet sind, wo "bei diese dann zur Bildung der Schweissraupen 78 verschwelest werden.

Die Aiternativform der Strömungsdeflektorvorrichtung arbeitet in ähnlicher Weise wie die bereits beschriebene Vorrichtung, wobei das nach oben durch die Strömungskanäle 38 der Brennstoffelementgruppe strömende Kühlmittel seitlich von seinem Strömungsweg aus weggerichtet wird, so dass es sich mit dem Strömungsmittel, welches die benachbarten Kanäle durchströmt, mischt, i-in unterschied in der Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispieles besteht jedoch darin, dass die Flügel 76 in benachbarten Bandstreifen 7o lediglich einander gegenüberliegend angeordnet sind, wodurch sich in jeder Kammer 36, wiejdurch die Pfeiele 8o angezeigt, eine Fliessmittelzirkulation ergibt, bei der das Fliessmittel in verschiedenen Bereichen des Hingraumes 56 in jeweils entgegengesetzter Richtung abgelenkt wird. Diese Form der Zirkulation ist für die Fliessmittelströmung störender und bewirkt eine geringere Durchmischung des Strömungsmittels als bei der bereits beschriebenen Anordnung.

309884/0434

Claims (1)

1. Ansprüche:

   1./Kernreaktor-Brennstoffelementanordnung mit einer Vielzahl von parallel in Reihen angeordneten Brennstoffelementen und Einrichtungen zur Abstützung der Brennstoffelement· mit gegenseitigem Abstand zur Ausbildung von Längs-Kühlmittel-

   ·* Kanälen zwischen diesen, nach Patent .... (Patentanmeldung AZ 46/99 der Anmelderin vom gleichen Tage), gekennzeichnet durch Einrichtungen (4ö) zum seitlichen Ablenken des durch«, die jeweiligen Strömungskanäle flieseenden Kühlmittel», welche die folgenden Teile aufweisen:

   I· langgestreckte Streifen (42, .$·) aus dünnem, plattenförmigen Material, welche in -den>Hetz« Zwisehenräumen zwischen den Reihen der Brennstoffelemente angeordnet sind;

   II» eine Vielzahl von an den Bändern vorgesehenen, einstückig ausgebildeten DeflektorflügeIn (46, 46«, 72), die an mit Abstand gelegenen Stellen an diesen angeordnet sind} ·

   III. einem an jedem der Deflektorfltigel (46, 46', 72) vorgesehenen Paar von Armen (5o), die sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken, jeder in einen benachbarten Strömungskanal (38), wobei die Deflektorflügel nach aussen in Richtung des Kühlmittelstromes divergieren und mit ihren Seitekanten (54) mit Abstand von der Oberfläche der benachbarten Brennstoffelemente angeordnet sindj und

   IV· Einrichtungen (68) zum festen Anbringen der Bandstreifen an der Brennstoffelementanordnung. +

   2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgestalt der Flügel (46, "46·, 72) im wesentlichen symmetrisch M9± deren Längs- und Seitenachsen ausgebildet ist.

   309884/0434

   . 3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkanten (54) der Arae (5·) der Deflektorflügel nach aussen konvergieren·

   4« Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet) dass die Seitenkanten (54) der Arme der Deflektorflügel kreis— föraig geformt und über ihre Länge im wesentlichen mit gleichförmigem Abstand von der Oberfläche der benachbarten Brennstoffelementβ (12) angeordnet sind«

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« dass di« Arme (5o) der einzelnen Flügel symmetrisch von der Längsachse des zugehörigen Strömungskanals (38) versetzt angeordnet sind«

   6« Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Divergenzwinkel zwischen den entsprechenden Armen (5o) in jedem Flügel etwa 6o Grad beträgt·

   7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflekterflügel (46, 46', 72) ua ihre seitlichen Massacheen gebogen und im vertikalen Querschnitt im wesentlichen V-rfÖrmig auegebildet sind.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandstreifen (42, 7o) zwischen benachbarten Deflektorflügein verdreht ist.

   9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehungswinkel wenigstens neunzig Grad beträgt.

   1o· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandstreifen einzelne Verdrehungen (59) an entgegengesetzten Enden jedes Deflektorflügeis (46, 46·, 7o) aufweist,

   11· Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Verdrehungen (59) sieh über etwa 9o Grad erstreckt.

   3Q9884/0434

   12» Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der Yerdrehungswinkel etwa T8o Grad beträgt.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorflügel jeweils Schlitze (58, 6o) zur Aufnahme eines verbrauehbaren Metallvorsprunges aufweisen.

   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Flügel einen zentralen Schlitz (58) zum Aufnehmen des verbrauchbaren MetallvorSprunges aufweist.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandstreifen (42) eine Vielzahl von ineinander eingreifenden Bändern aufweist, die in einem ^itter Räume (36) bilden, durch welehe sich die Brennstoffelemente

   (12) erstrecken, wobei Einrichtungen (63, 64) zur Befestigung der Bandstreifen in gegenseitig fester Anordnung vorgesehen sind.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandstreifen einstückig ausgebildete, verbrauchbare Vor~ Sprünge (64) aufweisen, die jeweils zwischen den flügeln angeordnet sind, wobei die flügel einer Bandstreifengruppe des Gitters einen zentralen Schlitz (58) zur Aufnahme von

   ■ Vorsprüngen an der anderen Bandstreifengruppe und die ^lügel der anderen Bandstreifengruppe Arme mit ausgerichteten Schlitzen (6o) zur Aufnahme von ^orsprüngen an der ersten Gruppe von Bandstreifen aufweist.

   17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandstreifen getrennte, parallele Bänder aufweist, welche zwischen den Brennstoffelementreihen angeordnet sind.

   309884/0434

   Leerseite