DE2626487A1

DE2626487A1 - Brennstoffelement-baueinheit

Info

Publication number: DE2626487A1
Application number: DE19762626487
Authority: DE
Inventors: Bart Alan Smith; Harold Eugene Williamson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-12
Publication date: 1976-12-30
Also published as: ES448859A1; US4035233A; FR2315147B3; FR2315147A1; SE409382B; ZA761911B; BE842736A; IT1061164B; SE7606449L; IL49327A0; JPS5211391A; JPS5939718B2

Description

Brennstoffelernent-Baueinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffelement-Baueinneiten für Kernreaktoren.

In einer bekannten Art eines Kernreaktors, wie er z.B. in dem Kernkraftwerk in Dresden bei Chicago, Illinois, verwendet wird, umfasst der Reaktorkern eine Vielzahl von Brennstoffelement-Baueinheiten in einer Anordnung, die eine Kernspaltungsreaktion selbst aufrecht erhalten kann. Der Kern ist in einem Druckkessel enthalten, wo er in eine Arbeitsflüssigkeit eingetaucht ist, wie leichtes Wasser, das sowohl als Kühlmittel wie auch als Neutronenmoderator dient. Eine Vielzahl von Steuerstäben, die Neutronen absorbierendes Material enthalten sind selektiv in die Brennstoffelement-Baueinheiten einschiebbar, um die Reaktivität des Kernes zu steuern. Hinsichtlich weiterer Informa-

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tionen über Kernenergie-Reaktoren wird ζ.B, auf das Buch von M.M.El-Wakil "Nuclear Power Engineering", McGraw-Hill Book Company, Inc., 1962, verwiesen.

Jede Brennstoffelement-Baueinheit umfasst einen rohrförmigen Strömungskanal, der typischerweise etwa einen quadratischen Querschnitt hat und der eine Reihe langgestreckter mit Umhüllung versehener Brennstoffelemente oder -stäbe enthält, die zwischen einer oberen und einer unteren Halteplatte abgestützt sind. Die Brennstoffelement-Baueinheiten werden in dem Druckkessel zwischen einem oberen Kerngitter und einer unteren Kernstützplatte gehalten. Die untere Halteplatte jeder Brennstoffelement-Baueinheit ist mit einem Nasenstück ausgebildet, das durch eine öffnung in der Kernstützplatte passt und in eine Kammer mit unter Druck stehendem Kühlmittel ragt.

Das Nasenstück ist mit öffnungen ausgebildet, durch die das unter Druck stehende Kühlmittel nach oben durch die Strömungskanäle der Brennstoffelement-Baueinheit fließt, um die Wärme von den Brennstoffelementen abzuführen. Eine typische Brennstoffelement-Baueinheit dieser Art ist z.B. in der US-PS 3 350 275 beschrieben. In Kernreaktoren neuerer Bauart sind in den Räumen oder Lücken zwischen den Brennstoffelement-Baueinheiten Instrumente in Form von Neutronen-Detektoren in Aufnahmebehältern für diese Instrumente enthalten.

In Siedewasserreaktoren wird die Wärme von dem Brennstoff durch die Brennstoffstab-Umhüllung zu dem an den Brennstoffstäben nach oben strömenden Wasser übertragen. In einer gewissen Höhe erreicht das strömende Wasser die Sättigungstemperatur und oberhalb dieses Punktes befinden sich zunehmende Teile des Wassers in der Dampfphase. Normalerweise ist der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Umhüllung des Brennstoffstabes und dem Wasser im wesentlichen konstant. Wenn die Wärmeströmung und demgemäß der Dampfanteil jedoch ausreichend erhöht ist, dann wird eine Schwelle erreicht, bei der sich der Wärmeübertragungskoeffizient plötzlich um einen Paktor von 5-10 verringert. Dies wird

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durch eine Änderung des Wärmeübertragungs-Mechanismus von einem Kernsieden zum Filmsieden verursacht und es führt zu einem sehr raschen unerwünschten Anstieg der Temperatur der Brennstoffstab-Umhüllung. Der Wärmefluss bei der Schwelle zwischen dem Kernsieden und dem Filmsieden wird als die der "kritische Wärmefluss" bezeichnet.

Eine wesentliche Betrachtung beim Entwurf von Siedewasserreaktoren ist die Beziehung zwischen der Strömung im Kanal(oder der durch die Strömungskanäle der Brennstoffelement-Einheiten fliessenden Kühlmittelströmung) und der Umgehungsströmung (oder der durch die Lücken zwischen den Brennstoffelement-Baueinieiten fliessenden Kühlmittelströmung). Einerseits ist es erwünscht, eine maximale Strömung innerhalb des Kanales zu haben, um dabei die Grenze des kritischen Wärmeflusses möglichst nach oben zu verschieben. Andererseits ist es erforderlich eine begrenzte Menge Umgehungsströmung zu haben, um die Kühlmittel-Stagnation und Dampfräume zu vermeiden und die Steuerstäbe und die in den Lücken zwischen den Brennstoffelement-Baueinheiten angeordneten Instrumente angemessen zu kühlen. Für eine gegebene Gesamtkernrezirkulations-Strömung hält der gewünschte Ausgleich zwischen Strömung im· Kanal und Umgehungsströmung eine angemessene Grenze für den kritischen Wärmef^uss aufrecht, während gleichzeitig zu große' Hohlräume außerhalb des Kanals vermieden werden.

In einer früheren Anordnung wurde die Steuerung der Umgehungsströmung dadurch bewerkstelligt, daß man eine gewiße Menge Kühlmittel zwischen dem Strömungskanal der Baueinheit und der unteren Halteplatte herauslecken ließ. Der Strömungskanal ist nicht an der Brennstoffelement-Baueinheit befestigt, sondern befindet sich im Schiebesitz über der oberen und der unteren Halteplatte, so daß er während der Neubeladung mit Brennstoff und für eine Inspektion der Brennstoffstäbe und Brennstoffstab-Baueinheiten leicht entfernt werden kann. Der Strömungskanal ist aus einem relativ dünnem Material gebildet, um Platz zu sparen und eine parasitäre Neutronenabsorption gering zu halten, und es wurde

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festgestellt, daß eine Zunahme im Kühlmitteldruck, um die Kühlmittelströmung durch die Brennstoffelement-Baueinheiten zu ver- . größern, eine Verbiegung und Wegbewegung des Strömungskanales von der unteren Halteplatte verursacht, womit eine außergewöhnlich große Menge an Umgehungs- oder Leckströmung verursacht wird, mit der daraus resultierenden Gefahr, daß die Brennstoffelement-Baueinheit nicht die erforderliche Kühlmittelströmung erhält.

In der Vergangenheit sind verschiedene Anordnungen vorgeschlagen worden, um die durch solche Bewegung^ cles Kühlmittelkanals verursachte große Leckströmung zu steuern (vergleiche hierzu die in den US-PS 3 689 358, 3 697 376 und 3 715 27¹J beschriebenen Anordnungen). In einer dieser Anordnungen, 2.B. in der der Figur 2 aer oben genannten PS 3 689 358_; verläuft die Leckströmung vom anteren Teil der Brennstoffelement-Baueinheit nach unten zwischen der unteren Halteplatte und dem diese umgebenden Strömungskanal und neben der unteren Kante des Strömun^skanales heraus. Auf diese Weise hat die Leckströmung zusammen mit der allgemeinen Kühlmittelströmung über das Brennstoffelement-Stützgitter der unteren Halteplatte einen Druckabfall erlitten.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Einrichtung zur Steuerung der Leckströmung geschaffen, die eine öffnung in der unteren Halteplatte und eine bewegliche Einrichtung umfasst, die zwischen der öffnung und dem benachbarten Strömungskanal'abgestützt ist, wobei der Kühlmitteldruck zwischen der unteren Halteplatte die bewegliche Einrichtung in Eingriff mit dem Strömungskanal drückt, um die Leckströmung des Kühlmittels zwischen der unteren Halteplatte und dem Strömungskanal zu begrenzen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wasserreaktor/Dampf-

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generator-Systems,

Fig.2 eine perspektivische Ansicht, teilweise weggeschnitten, einer Brennstoffelement-Baueinheit,

Fig.3 eine vergrößerte Ansicht, teilweise weggeschnitten, des unteren Teiles der Brennstoffelement-Baueinheit der Figur 2, die eine erste Ausführungsform der Einrichtung zur Steuerung der Leckströmung veranschaulicht,

Fig.4 eine fragmentarische Schnittansicht der Einrichtung zur Steuerung der Leckströmung gemäß Figur 3,

Fig.5 und 6 perspektivische Ansichten einzelner beweglicher Elemente der Einrichtung der Steuerung der Leckströmung gemäß Figur 3,

Fig.7 eine vergrößerte Ansicht des unteren Teiles einer Brennstoffelement-Baueinheit, welche eine zweite Ausführungsform der Einrichtung zur Kontrolle der Leckströmung veranschaulicht ,

Fig.8 eine fragmentarische Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig.9 eine perspektivische Ansicht eines Fingerfederteiles der zweiten Ausführungsform.

In Figur 1 ist ein Reaktorsystem mit einem Druckkessel 10 gezeigt, daß einen Kernreaktorkern 11 eingetaucht in ein Kühlmittel, wie leichtes Wasser., enthält. Der Kern 11 ist von einem ringförmigen Mantel 12 umgeben und er weist eine Vielzahl austauschbarer Brennstoffelement-Baueinheiten 13· auf, die im Abstand voneinander angeordnet und in dem Kessel 10 zwischen einem oberen Kerngitter 14 und einer unteren Kernstützplatte abgestützt sind. Jede Brennstoffelement-Baueinheit weist ein Nasenstück 16 auf, das in einen Stützsockel der Stützplatte 15 eingreift. Das Ende des Nasenstückes erstreckt sich durch die Stützplatte 15 und ist mit öffnungen zur Verbindung mit einer Kühlmittelkammer 17 ausgebildet. Eine Zirkulationspumpe 18 setzt das Kühlmittel in der Kammer 17 unter Druck, von wo aus es durch

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die Öffnungen in den Nasenstücken 1β nach oben durch die Brennstoffelement-Baueinheiten gedrückt wird. Ein Teil des Kühlmittels wird hierbei in Dampf umgewandelt, der durch eine Separator/Trockner-Anordnung zur Turbine 20 geleitet wird. Das in einem Kondensator 21 gebildete Kondensat wird als Zuführungswasser mittels einer Pumpe 22 in den Kessel 10 zurückgeführt. Eine Vielzahl von Steuerstäben 23 ist selektiv einschiebbar zwischen den Brennstoffelement-Baueinheiten 13, um die Reaktivität des Kernes zu steuern. Eine Vielzahl von Behältern 2*1 zur Aufnahme von Instrumenten ist zwischen den Brennstoffelement-Baueinheiten 13 angeordnet, um Neutronendetektoren aufzunehmen und so die Energieerzeugung im Kern zu überwachen.

In Figur 2 ist eine Brennstoffelement-Baueinheit 13 veranschaulicht, die eine Vielzahl langgestreckter Brennstoffstäbe 25 umfasst, die zwischen einer unteren Halteplatte 26 und einer oberen Halteplatte 27 abgestützt sind. Die Brennstoffstäbe 25 verlaufen durch eine Vielzahl von Brennstoffstab-Abstandshaltern 28, die eine Zwischenabstützung schaffen, um die langgestreckten Stäbe im Abstand voneinander zu halten und deren seitliche Vibration zu verhindern.

Jeder der Brennstoffstäbe 25 umfasst ein langes Rohr, welches den spaltbaren Brennstoff, wie Uran- oder Plutoniumoxid, in Form von Pellets, Teilchen, Pulver oder ähnlicher Form enthält, das in dem Rohr durch einen oberen und einen unteren Endverschlußstopfen 29 und 30 abgedichtet ist. Die unteren Endverschlüsse 30 sind mit einer Verjüngung zum Einpassen und Abstützen in Stützvertiefungen 31 versehen, die in der unteren Halteplatte 26 gebildet sind. Die oberen Endverschlus.se 29 sind mit Ansätzen 32 ausgebildet, die in Stützvertiefungen 33 in der oberen Halteplatte 27 passen.

Verschiedene der Stützvertiefungen 31 (z.B, ausgewählte an Kante oder Umfang) in der unteren Halteplatte 26 sind mit Gewinde ausgebildet, um Brennstoffstäbe aufzunehmen, die mit Gewinde versehene untere Verschlußstopfen 30 haben. Die Ansätze 32 der

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oberen Endstopfen 29 dieser gleichen Brennstoffstäbe sind verlängert, um durch die Vertiefungen in der oberen Halteplatte 27 zu passen, und sie sind mit Gewinde versehen, um mit Innengewinde versehene Haltemuttern 34 aufzunehmen. Auf dieser Weise werden die obere und die untere Halteplatte und die Brennstoffstäbe dazwischen zu einer einheitlichen Struktur zusammengefasst.

Die Brennstoffelement-Baueinheit 13 weist weiter einen dünnwandigen rohrförmigen Strömungskanal 35 nut im wesentlichen quadratischem Querschnitt auf, der so ausgebildet ist, daß er einen Gleit- oder Schiebesitz über der oberen und der unteren Halteplatte 26 und 27 sowie den Abstandshaltern 28 gestattet und auf diese Weise leicht montiert und entfernt werden kann. Der Kanal 35 weist eine an sein oberes Ende geschweißte Platte 36 auf, die die Befestigung des Kanales an dem Brennstoffelementbündel mit Hilfe eines Bolzen 37 gestattet.

Die untere Halteplatte 26 ist mit einem Nasenstück 16 ausgebildet, das die Brennstoffelement-Baueinheit in einem Sockel in der Stützplatte 15 (vergl. Fig. 1) abstützt. Das Ende des Nasenstückes ist mit Öffnungen 38 versehen, durch die das unter Druck stehende Kühlmittel bei einem Druck P₁ eintritt und an den Brennstoffstäben vorbei strömt und nach dem Passieren des Brennstoffelement-Stützgitters 26 der unteren Halteplatte hatte es einen Druck Pp (vergl. Fig. 4).

Um ein Stehenbleiben des Kühlmittels in den Räumen 39 (vergl. Fig. 1) zwischen den Brennstoffelement-Baueinheiten zu vermeiden, wird es einem Teil der Kühlmittelströmung in der Größenordnung von 5~10% gestattet, von zwischen der unteren Halteplatte 26 und dem Kanal 35,wie durch den Pfeil LF in Figur 2 angedeutet ist, und durch spezielle Umgehungsströmungspassagen 40 in der unteren Halteplatte 26, wenn dies erwünscht ist, in die Räume 39 zu lecken. Einige bekannte Anordnungen-haben, wie oben erwähnt, keine ideale Regulierung dieser Leckströmung geschaffen.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun eine verbesserte Einrichtung zur Steuerung der Leckströmung geschaffen, um die Menge des Leckstromes zwischen dem Strömungskanal 35 und der unteren Halteplatte 26 zu steuern.

Eine erste Ausführungsform dieser Einrichtung ist in den Figuren 3, 4, 5 und β veranschaulicht. Aus diesen ist ersichtlich, daß eine Öffnung 4l in der unteren Halteplatte 26 in dem Bereich vorgesehen ist, in dem der Strömungskanal 35 die Halteplatte 26 überlappt. Zwischen der Öffnung 41 und der inneren Oberfläche des Strömungskanales 35 ist eine Vielzahl beweglicher Einrichtungen, Elemente oder Teile 42 und 43 angeordnet. Jedes der Teile 42 und 43 ist durch Nieten 44 oder auf andere geeignete Weise an der unteren Halteplatte 26 befestigt. Die Teile 42 und 43 sind ausreichend nachgiebig, so daß sie sich auf Grund des relativ hohen Druckes P₁ innerhalb der Halteplatte 26, verglichen mit dem Umgehungskühlmitteldruck P, außerhalb des Strömungskanales 35 nach außen in Eingriff mit der inneren Oberfläche des Strömungskanals 35, bewegen können. Wenn sich also der Strömungskanal 35 bewegt, dann folgen die Teile 42 und 43 dieser Bewegung, um eine relativ konstante Beschränkung der Leck-Strömung aufreent zu erhalten.

Die Figuren 5 und 6 zeigen die Teile 42 und 43 in größeren Detail. Daraus ist ersichtlich, daß das Teil 43 mit der Ausnahme, daß es mit einem Seitenflansch 45 versehen ist, der dazu dient, das Entweichen des Kühlmittels benachbart der Ecken der unteren Halteplatte 26 zu vermeiden, identisch mit dem Teil 42 ist. Die Niet.en 44 verlaufen durch die Schlitze 46, was die flexible Bewegung der Teile 42 und 43 während des Betriebes der Einrichtung · zur Steuerung der Strömung verstärkt.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Figuren 7_S 8· und 9 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform kann die Öffnung 41 etwas enger sein als die Öffnung der oben beschriebenen Ausführungsform(oder sie kann durch eine Vielzahl von Löchern 411 gebildet werden) und das bewegliche Teil

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hat die Form einer Pingerfeder 47 (vergl. Pig. 9), die einen oberen Teil 48 mit öffnungen darin aufweist, durch welche die unteren Endstopfen 30 passen. Die Fingerfeder 47 ist auf diese Weise durch Festlegung des oberen Teiles 48 zwischen den Endstopfen 30 und der Halteplatte 26, wie in Figur 7 gezeigt, an der unteren Halteplatte 26 befestigt. Bei dieser Ausführungsform drückt der Druck P. innerhalb der Halteplatte 26 ebenfalls die Pinger 49 des Teiles 47 in Eingriff mit dem Kanal 35, so daß die Finger 49 dem Kanal 35 folgen, wenn dieser sich während des Betriebes des Kernreaktors radial bewegt, und sie schaffen so eine relativ konstakte Leck-Strömungssteuerung während des Betriebszyklus der Brennstoffelement-Baueinheit.

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Claims

_ ₁₀ _ 3869-24-AT-F4O14

Patent anspräche

Brennstoffelement-Baueinheit mit einer Vielzahl von Brennstoffs täben, die im Abstand voneinander und im Eingriff mit einer oberen und einer unteren Halteplatte angeordnet sind, wobei die untere Halteplatte eine Einrichtung aufweist, um eine Kühlmittelströmung aufzunehmen, und die Baueinheit weiter einen an beiden Enden offenen rohrförmigen Strömungskanal aufweist, der die Brennstoffelemente sowie die Halteplatten umgibt, um das Kühlmittel an den Brennstoffstäben entlang nach oben zu leiten sowie eine Einrichtung zur Steuerung einer Leck-Strömung zwischen der unteren Halteplatte und dem Strömungskanal, angeordnet ist, um den Leckstrom des Kühlungsmittels zwischen der unteren Halteplatte und dem Strömungskanal zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung des Lecicstromes eine öffnung in der unteren Halteplatte sowie ein bewegliches Teil umfasst, das zwischen der öffnung und dem Strömungskanal abgeschützt ist, wobei der Druck des Kühlmittels innerhalb der unteren Halteplatte das bewegliche Teil in Eingriff mit dem Strömungskanal drückt, um auf diese Weise den Leckatrom des Kühlmittels zwischen der unteren Halteplatte und dem Strömungskanal zu begrenzen.
2) Brennstoffelement-Baueinheit nach Anspruch 1,dadurch gekennzei chnet, daß das bewegliche Teil eine .Vielzahl von Gliedern umfasst, die von der unteren Halteplatte getragen werden und die genannte öffnung im wesentlichen abdecken.
3) Brennstoffelement-Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß üie Glieder mit der unteren Halteplatte durch Nieten verbunden sind.

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4) Brennstoffelement-Baueinheit nach Anspruch 2, dadur ch gekennzeichnet daß die Glieder Pingerfedern
sind.
5) Brennstoffelement-Baueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn zei chnet, daß die öffnung eine Reihe von Löchern umfasst.
6) Brennstoffelement-Baueinheit nach Anspruch 4, dadurch ge-kennzeichnet, daß die Pingerfedern einen
oberen Teil aufweisen, der mit Löchern ausgebildet ist, und die Pingerfedern durch Pestklemmen zwischen den unteren Enden der Brennstoffstäbe und der unteren Halteplatte an Ort
und Stelle gehalten werden.

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