DE2541200A1

DE2541200A1 - Brennelement fuer mit leicht- oder schwerwasser gekuehlte atomkernreaktoren

Info

Publication number: DE2541200A1
Application number: DE19752541200
Authority: DE
Inventors: Kenneth George Pearson
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1974-09-17
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1976-03-25
Also published as: AU8416675A; CA1035871A; US4038132A; FR2285682B1; FR2285682A1; IT1047991B; JPS5155898A; JPS5928278B2; GB1464297A

Description

PATENTANWÄLTE Friedrich-Ebert-Str. 27

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT ^{Postfach 100928}

DIPL-ING. ROLF PÜRCKHAUER S^Äi

J Π Λ 1 *? ft f\ Telegramm-Anschrift: Patschub, Siegen

75 038 Kü/Schm ^_{5 SEp}

United Kingdom Atomic Energy Authority 11,Charles II Street, London, SW1,England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 40472/74 vom 17. Sept. 1974 beansprucht.

Brennelement für mit Leicht- oder Schwerwasser gekühlte Atomkernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf Atomkernreaktoren und insbesondere auf Kernbrennstoffelemente für die Verwendung in Atomkernreaktoren, die durch leichtes oder schweres Wasser gekühlt werden.

Die Brennelemente für diese Reaktoren weisen allgemein Kernbrennstoffstäbe auf, die parallel und im Abstand zueinander in entsprechend proportionierten Bündeln so angeordnet sind, daß innerhalb des Kernreaktorkerns Kühlmittel, welches über die Brennstoffstäbe in einer Richtung parallel zu deren Oberflächen verläuft, erhitzt wird. Danach wird das erhitzte Kühlmittel in einer Wärmeausnutzungsanlage, z.B. einem Wärmetauscher oder einer Dampfturbine, verwendet.

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Verschiedene Vorschläge sind bereits gemacht worden, um eine Hilfseinrichtung für das Kühlen der Kernbrennstoffbündel mittels eines oder mehrerer Sprühkühlrohre zu schaffen, die mit ihrer eigenen Kühlmittelversorgung verbunden sind und sich innerhalb des Bündels parallel zu den Stäben erstrecken, und aus Löchern in den Seitenwänden dieser Rohre kann Kühlwasser seitwärts in das Bündel gegen die Stäbe gesprüht werden. Die Strömung des Hauptkühlmittels kann auf diese Weise durch die Hilfskühlung ergänzt oder in einigen Fällen ersetzt werden.

Eine Schwierigkeit bei diesen Anordnungen besteht darin, daß nur jene Brennst off stäbe, die dicht an einem Sprühkühlrohr sitzen, eine direkte Fluchtlinie mit diesen haben und leicht durch das Hilfskühlmittel erreicht werden können. Die Erfindung sucht diese Schwierigkeit zu beseitigen.

Erfindungsgemäß weist ein Kernbrennstoffelement, welches sich zusammensetzt aus einem Bündel von Kernbrennstoffstäben, die mit ihren Achsen parallel und im Abstand zueinander durch Quergitter gehalten sind, um Zwischenräume für die axiale Strömung von Reaktorkühlmittel zu schaffen, mindestens einen Zwischenraum auf, der teilweise durch eine sich axial erstrekkende Hilfskühlmittelleitung mit seitlichen Löchern belegt ist, durch welche ein Hilfskühlmittel in das Bündel gesprüht wird, und weist Ablenkeinrichtungen auf, die sich von einem Quergitter in eine Stellung vor den Löchern zur Ablenkung des Hilfskühlmittelstrahls auf Teile der Brennstoffstäbe erstreckt, die für das Hilfskühlmittel unzugänglich sind. Die Ablenkeinrichtung enthält vorzugsweise Prallplatten, die an einem Gitter befestigt sind und von diesem in die Bahn eines oder mehrerer Strahle von Hilfskühlmittel herabhängen, welches aus den seitlichen Löchern, in der Leitung austritt. Wenn, wie üblich, die Brennstoffstäbe mit ihren Achsen vertikal angeordnet sind, und zwar in Reihen und in gleichmäßiger Teilung, dann wird diejenige Seite der Prallplatte, die der Hi lfskuhlmxtt el leitung zugewandt ist, durch, zwei Längskanten begrenzt, die einen solchen Abstand voneinander haben, der im wesentlichen gleich der Teilung der

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Brennstoffstäbe ist. Wenn die Teilung auf konzentrischen Kreisen um eine zentrale Hilfskühlmittelleitung herum liegt, dann ist die Prallplatte vorzugsweise so angeordnet, daß deren vertikale Mittellinie in einer Ebene liegt, die durch die Mitte einer Teilung hindurchverläuft. Wenn die Kanten der Prallplatte scharf ausgebildet sind, dann gibt es eine gut ausgebildete Ablenkung des Hilfskühlmittels, und vorzugsweise bilden die vertikalen Längskanten der Prallplatte spitze Winkel mit derjenigen Seite der Platte, die der Hilfskühlmittelleitung zugewandt ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Hälfte eines Kernbrennstoffelementes in Draufsicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht von Fig. 1, wobei der größte Teil des Brennstoffstabes weggelassen ist,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles III in Fig. 2,

Fig. 4- eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Prallplatte im Querschnitt nach Fig. 5, während

Fig. 5 schematisch die Wirkung der Erfindung wiedergibt.

Fig. Λ zeigt die eine Hälfte eines 36-iger Kernbrennstoffelementes, welches für die Verwendung in einem Druckrohr-Kernreaktor bestimmt ist und ein Bündel von Kernbrennstoffstäben 2 aufweist, die mit den Achsen parallel und im Abstand zueinander durch Quergitter gehalten werden. Ein solches Gitter ist bei 3 dargestellt und weist eine äußere Bandage 4 auf, die in 60°- Intervallen mit Streben 5 verbunden ist", welche den durch die Bandage begrenzten Raum in sechs Sektoren aufteilen, von denen jeder sechs Brennstoffstab-Lokalisierungshülsen 6 enthält. Die Hülsen 6 sind an ihren Berührungsstellen miteinander und mit den Streben 5 verschweißt. Eine genaue Lokalisierung der Hülsen wird

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durch. C-förmige Mstanzstücke 7 unterstützt. Die Hülsen 6 nehmen die Brennstoffstäbe 1 auf und halten sie zusammen mit Endarmaturen (nicht dargestellt) auf Abstand voneinander sowie mit den Achsen vertikal und parallel zueinander, wodurch Zwischenräume zwischen ihnen gebildet werden, durch welche ein Hauptkühlmittel strömen kann, um Wärme vom Brennstoff abzuführen. In einem dieser Zwischenräume ist eine Hilfskühlmittelleitung 8 angeordnet, die sich durch eine zentrale Hülse 9 erstreckt und an dieser befestigt ist, wobei daran auch die radial inneren Enden der Streben 5 befestigt sind. Die Leitung 8 ist am einen Ende, nämlich am unteren, geschlossen und weist eine Anzahl von Seitenlöchern 10 in ihrer Wandung auf, so daß, wenn die Leitung 8 an ihrem anderen Ende mit einer Lieferquelle für Hilfskühlmittel verbunden wird, das letztere als eine Vielzahl von Sprühstrahlen austritt, die quer in das Bündel von Brennstoffstäben im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Hauptkühlmittels gerichtet sind. Die Sprühkühlmöglichkeit ist als alternative oder ergänzende Kühlung für eine axiale Strömung von Hauptkühlmittel durch das Bündel hindurch vom einen Ende zum anderen nützlich.

Alle bis hierher beschriebenen Teile des Brennstoffbündels gehören zum Stand der Technik und bilden ihrerseits keinen Teil der Erfindung. Aus dem vorangehenden ist ersichtlich, daß jene Brennstoffstäbe, die nicht in einer direkten Fluchtlinie zu den Löchern 10 in der Leitung 8 liegen, weniger wirkungsvoll durch das Hilfskühlmittel gekühlt werden als diejenigen, die in Fluchtlinie liegen. TJm die Kühlung dieser Brennstoffstäbe durch Hilfskühlmittel zu verbessern, ist eine Einrichtung zur Änderung der Richtung des Strahles von Hilfskühlmittel nach der Injektion in das Bündel vorgesehen, um das Kühlmittel auf die Oberflächen von Brennstoffstäben abzulenken, die sonst für Hilfskühlmittel unzugänglich sind. Diese Einrichtung weist eine Anzahl von T-förmigen Prallplatten 11 auf, die durch ihre Querstücke 11a an benachbarten Hülsen 6 durch Schweißnähte befestigt und geschlitzt sind, um einen freien Platz für die benachbarte radiale Strebe 5 zu schaffen. Jeder Steg 11b der

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Prallplatten 11 liegt in freier Flucht von einem oder mehreren Löchern 10 in der Leitung 8, und eine Seite desselben ist auf die Leitung gerichtet. Diese Seite wird begrenzt durch Längskanten 11c, welche um ein Maß voneinander getrennt sind, welches gleich etwa der Hälfte der Teilung der Brennstoffstäbe ist. Die Kanten 11c des Querstücks sind scharf ausgebildet, wobei die Kantenoberflächen nach Fig. 4 einen spitzen Winkeioc von vorzugsweise 60° mit der Fläche der Prallplatte 11 (Fig. 4·) bilden. Außerdem sind die Prallplatten 11 so angeordnet, daß die vertikale Mittellinie X-X (Fig. 3) durch die der Leitung zugewandte Fläche 11b der Platte in einer Ebene liegt, welche durch die Mitte der Teilung hindurch verläuft.

Im Betrieb werden die Kernbrennstoffstäbe normalerweise durch eine Strömung von Hauptkühlmittel axial durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffstäben hindurch ausreichend gekühlt. Wenn eine Hilfskühlung erforderlich ist, dann wird diese in Querrichtung in das Bündel über die Löcher 10 in den Leitungen injiziert. Um sicherzustellen, daß das Hilfskühlmit-ftel Zugang erlangt, um die Stäbe in der äußeren Reihe zu benetzen, die außerhalb der direkten Fluchtlinie der Hilfskühlmitteldüsen liegt, hängen die Prallplatten 11 von dem Gitter herab, um einen Strahl 13 aus den Löchern, wie bei 10, auf Teile der Oberflächen der Stäbe 2a, 2b abzulenken, die, weil sie durch andere Stäbe teilweise verdeckt sind, sonst nicht richtig durch das Hilfskühlmittel benetzt würden.

Es ist wesentlich, scharfe Kanten an den Prallplatten 11 vorzusehen, so daß der Strahl 13 von Hilfskühlwasser abgelenkt wird und richtig von der Prallplatte abgleitet, um das benachbarte Paar von Brennstoffstäben 2a, 2b zu umhüllen, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Prallplatten brauchen nicht flach zu sein, werden aber vorzugsweise flach ausgebildet, und als solche sind sie praktisch unempfindlich gegen irgendeine Fehlausrichtung, die zwischen dem Strahl von Hilfskühlmittel und der größeren Platte bestehen kann, was nach dem Betrieb einsetzen kann, beispielsweise dadurch, daß die Löcher 10 teilweise Blockiert werden.

Pat ent ansprüche 609813/0353

Claims

73 038 Kü/Schm 1 5. SEP. 1975

Patentansprüche

M.)Kernbrennstoffelement, bestehend aus einem Bündel von Kernbrennstoffstäben, die mit ihren Achsen parallel und im Abstand zueinander durch Quergitter so gehalten sind, daß Zwischenräume für die axiale Strömung von Kühlmittel gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Zwischenräume durch eine sich in axialer Richtung erstreckende Hilfskühlmittelleitung (8) mit seitlichen Löchern (1O) belegt ist, durch welche Hilfskühlmittel in das Bündel gesprüht wird, und daß Ablenkeinrichtungen (11) vorgesehen sind, die sich von einem Quergitter (3) in eine Stellung vor den Löchern (10) erstrecken, um einen Kühlmittelstrahl (13) auf jene Teile der Brennstoffstäbe (2) abzulenken, die für Hilfskühlmittel unzugänglich sind.
2. Brennelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtungen jeweils durch eine Prallplatte (11) gebildet werden, die an einem Gitter (3) befestigt sind und in die Bahn von einem oder mehreren Strahlen von Hilfskühlmittel von der Hilfskühlmittelleitung (8) her herabhängt.
3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (11) vertikal von einem Gitter (3) zwischen zwei Reihen von Kernbrennstoff stäben (2) herabhängt, daß die Stäbe (2) in jeder Reihe einen Abstand von gleichmäßiger Teilung haben, daß die Prallplatte (11) mit der einen Fläche (11a) auf die Hilfskühlmittelleitung (8) gerichtet ist und daß die Fläche (11a) von zwei parallelen Längskanten (11c) begrenzt wird, die um eine Plattenbreite voneinander entfernt sind, welche im wesentlichen gleich der Hälfte der Teilung der Kernbrennstoffstäbe (2) ist.

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4-, Brennelement nach Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffstäbe (2) auf konzentrischen Kreisen um eine zentrale Hilfskuhlmittelleitung (8) in gleichmäßiger Aufteilung angeordnet sind, und daß die Prallplatte (11) so angeordnet ist, daß deren vertikale Mittellinie (X-X) in einer Ebene liegt, die durch die Mitte einer Teilung zwischen den Brennstoffstäben (2) hindurch verläuft, auf welche Hilfskühlmittel abgelenkt wird.
5- Brennelement nach Anspruch 3· oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen, welche die Längskanten (11c) der Prallplatte (11) enthalten, diejenige Fläche der Prallplatte (11) schneiden, die der Hilfskuhlmittelleitung (8) im spitzen Winkel (⁰O zugewandt ist.
6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (oC) etwa 60° beträgt.

7- Brennstoffstab-Lokalisierungsgitter mit Zellen zur Aufnahme der Kernbrennstoffstäbe und einer Hilfskuhlmittelleitung in einem Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter Prallplatten (11) aufweist, die von ihm vor seitlichen Löchern (10) in der Leitung (8) herabhängen.

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