DE3108399C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Brennelement im folgenden auch Brennelementbündel genannt, ist bekannt aus der US-PS 31 64 530.

Aus der US-PS 40 56 441 ist ein Brennelementbündel bekannt, bei dem in Längsrichtung des Brennelementbündels mehrere Ab­ standshalter angeordnet sind. Jeder Abstandshalter erstreckt sich horizontal über das gesamte Brennelementbündel und erfaßt sämtliche Brennstäbe. Der Abstandshalter besteht aus einzelnen rohrartigen Elementen, von denen jedes einen Brennstab umgibt. Diese Elemente sind einerseits miteinander zusammengeschweißt und andererseits an eine sämtliche Elemente umgebende Hülle angeschweißt. In axialer Richtung der Brennstäbe sind die einzelnen Elemente gegeneinander in einer solchen Weise verschoben, daß sie nach Art mindestens einer Spirale verlaufen. Der den gesamten Querschnitt des Brennelementbündels überdeckende Abstandshalter ist ein zu­ sammenhängendes starres Konstruktionsteil. Die Herstellung dieses Abstandshalters ist sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, welches gegenüber dem bekannten Brennelement sich durch eine verbesserte Kühlung bei normalem Betrieb, durch größere Sicherheit gegen ein örtliches Trockensieden oder gegen die Gefahr eines Dampfeinschlusses bei Notkühlung und durch einen verkleinerten Druckabfall des durch den Reaktorherd gepumpten Kühlwasser auszeichnet, wobei bei großer Effektivität der Aufwand hinsichtlich Material und Herstellung gering ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches er­ findungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Durch die Verwendung von Teilabstandshaltern gemäß der Erfindung wird die Kühlung bei normalem Betrieb dadurch verbessert, daß das Kühlmittel in stärkerem Maße als bei einer bekannten Abstandshalteranordnung über unterschiedlich belastete Bereiche des Brennelementbündels verteilt wird. Zugleich wird eine größere Sicherheit gegen ein örtliches Trockensieden durch eine axial gleichmäßiger verteilte Tur­ bulenzbildung erreicht. Die Gefahr eines Dampfeinschlusses (CCFL=Counter current flow limiting) bei Notkühlung wird verringert, da der Tenzenz des durch die Abstandshalter strömenden Dampfes, ein Eindringen des Notkühlwassers in den Kern zu verhindern, entgegenwirkt wird. Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Anordnung von Teilabstandshaltern bei normalem Betrieb der Druckabfall vermindert, den das Kühlwasser beim Hindurchpumpen durch den Reaktorherd erleidet.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Brennelementbündels gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 das Brennelementbündel gemäß Fig. 1 von oben gesehen,

Fig. 4 das Brennelementbündel gemäß Fig. 1 von unten gesehen,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines Brennelementbündels gemäß der Erfindung in Seitenansicht und partiellem Vertikalschnitt längs der Linie V-V in Fig. 6,

Fig. 6 das Brennelementbündel gemäß Fig. 5 in vergrößertem Maßstab im Horizontalschnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 im Horizontalschnitt eine dritte Ausführungsform eines Brennelementbündels gemäß der Erfindung,

Fig. 8 einen Vertikalschnitt längs der Linie VII-VIII in Fig. 7,

Fig. 9-18 in schematischer Darstellung fünf Beispiele für die Anordnung von vertikal hintereinander liegenden Gruppen von Teilabstandshaltern in einem Brennelementbündel gemäß der Erfindung. Dabei sind die Vertikalschnitte durch die einzelnen Quadranten A, B, C, D der Brennelementbündel der besseren Übersichtlichkeit halber in den Fig. 10, 12, 14, 16, 18 nebeneinander dargestellt. Die wirkliche Lage der Quadranten im Verhältnis zueinander geht aus den entsprechenden horizonatelen Schnitten hervor, die in den Fig. 9, 11, 13, 15, 17 angedeutet sind. Jeder Abstandshalter ist mit S und einem Index bezeichnet, wobei jede Gruppe von teilweise positionierenden Abstandshaltern des Brennelementbündels den gleichen Index hat.

In den Fig. 1 bis 4 bezeichnet 1 einen Brennelementkasten, der vertikal im Kern eines Siedewasserreaktors angeordnet wird. Der Brennelementkasten 1 aus einem Brennstoffkanal 1′ und einem Unterteil 1′′ zusammengesetzt und enthält vierundsechzig Brennstäbe 3, die mit Hilfe einer oberen Gitterplatte 4, einer unteren Gitterplatte 5 und mehrerer Abstandshalter 6 positioniert sind. Die Abstandshalter 6 sind auf mehrere axial hintereinander angeordneten Abstandshaltergruppen verteilt, wobei die Abstandshalter jeder Gruppe zusammen sämtliche vierundsechzig Brennstäbe im Brennelementbündel positonieren. Jede Abstandshaltergruppe enthält vier Abstandshalter 6, die in vier verschiedenen Höhen angeordnet sind. Jeder dieser vier Abstandshalter liegt dabei in je einem Quadranten des Brennelementbündels und positioniert die auf den jeweiligen Quadranten entfallenden 16 Brennstäbe. In Fig. 2 sind die einzelnen Quadranten mit den Buchstaben A, B, C, D bezeichnet. Der oberste der beiden in Fig. 1 gezeigte Abstandshalter liegt im Quadranten B, der zweitoberste im Quadranten A. Die darunter befindlichen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Abstandshalter liegen in den Quadranten D und C, wobei der unterste im Quadranten C liegt.

Wenn man beispielsweise einen vertikal nach oben strömenden Wasserfluß betrachtet, der auf ein Viertel der Brennstäbe im Brennelementbündel und auf denselben Quadranten wie der unterste Abstandshalter in irgendeiner Gruppe lokalisiert ist, so wird dieser Fuß aufgrund des hydraulischen Widerstandes des Abstandshalters in gewissem Umfange vom Abstandshalter abgelenkt werden und an Brennstäben in benachbarten Quadranten entlangströmen, die auf diesem Niveau (in dieser Höhe) nicht mit Abstandshaltern versehen sind. Dies kann bedeuten, daß bestimmten, besonders warmen Brennstäben Kühlwasser zugeführt werden kann, das auf seinem Weg nach oben an Brennstäben mit relativ niedriger Temperatur entlanggeströmt ist. Man sieht auch ein, daß eine Teil­ abstandshalteranordnung, die einem Teil des jedem Teilabstandshalter zugeführten Wassers die Möglichkeit läßt, einen Parallelweg mit geringerem hydraulischen Widerstand zu wählen, einen kleineren Gesamtströmungswiderstand hat als eine konventionelle Anordnung mit der gleichen Anzahl von Abstandshalterzellen.

Statt der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Abstandshalteranordnung kann erfindungsgemäß jede der in den Fig. 10, 12, 16, 18 gezeigten Anordnung verwendet werden.

Aus der US-PS 31 64 530 ist es bekannt, einen mit quadratischem Querschnitt ausgebildeten Brennstoffkanal mit einer in Längsrichtung des Brennstoffkanals verlaufenden verseifenden Stützanordnung mit kreuzförmigem Querschnitt zu versehen. Die Stützanordnung hat vier Flügel, von denen jeder an einer entsprechenden Wand des Brennstoffkanals befestigt ist, wodurch der Brennstoffkanal in vier Teilkanäle aufgeteilt wird, die jeweils ein Teilbrennstoffbündel enthalten. Die Teilkanäle sind mittels mehrerer Löcher, die in den Flügeln angebracht sind, hydraulisch miteinander verbunden. Einerseits ist ein solches viergeteiltes Brennstoffbündel für die erfindungsgemäßen Abstandshaltergruppen besonders gut geeignet, das Teilabstandshalter schon vorhanden sind. Andererseits wirken aber die Flügel der Stützanordnung dem Zweck einer solchen Gruppe, z. B. der besseren Vermischung des Wassers, in bedeutendem Maße entgegen. Die in Verbindung mit den Fig. 5, 6, 7 und 8 beschriebenen Brennelementbündel nach der Erfindung sind mit Stützanordnungen versehen, die gute Verseifungseigenschaften haben und gleichzeitig eine ausreichende horizontale Verbindung zwischen den einzelnen Teilkanälen zulassen. Hinzu kommt, daß die Stützanordnungen vertikale Kanäle für durchströmendes verhältnismäßig kaltes Wasser bilden, wodurch eine vorteilhafte Moderatorwirkung erreicht wird.

Bei der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsform eines Brennelementbündels nach der Erfindung ist jede Wand des Brennstoffkanals 20 mit einer einzigen relativ langen, vertikalen Verseifungsleiste 21 versehen. Alternativ kann jede Wand statt dessen mit einem nach innen gebogenen Blechteil oder mit mehreren vertikalen, hintereinander angeordneten Verseifungsleisten versehen werden. Die Brennstäbe des Brennelementbündels sind mit 22 bezeichnet. Das Brennelementbündel hat ein zentrales, relativ querschnittsstarkes Wasserrohr 23, das zusammen mit 12 quer­ schnittsschwächeren Wasserrohren 24 in einer kreuzförmigen Konfiguration angeordnet ist. Die Wasserrohres 23 und 24 sind in verschiedenen Höhen (Niveaubereichen) durch vier wellenförmige, im wesentlichen rechtwinklig abgebogene Bänder 25 aus Zirkaloy® miteinander verbunden, welche Bänder miteinander und vorzugsweise auch mit den Wasserrohren 23 und 24 zusammengeschweißt sind. Auf diese Weise entsteht eine Stützanordnung 26, die sowohl dort, wo die Bänder 25 verlaufen, wie auch zwischen den Bändern einen kreuzförmigen Querschnitt hat. Bei jedem der durch die Bänder 25 gebildeten Armkreuze sind die Stützarme mechanisch starr mit ihrer zugehörigen Verseifungsleiste 21 verbunden, und zwar mit Hilfe eines am Ende des Stützarms festgeschweißten Klotzes 27, der in ein entsprechendes Loch in der Verseifungsleiste 21 ragt und mittels einer Schweißverbindung 28 an dieser Leiste befestigt ist. Die Brennstäbe 22 sind in jedem Quadranten des Brennelementkastens 20 mit Hilfe einer Vielzahl auf ver­ schiedenen Niveaus angeordneter Abstandshalter 29 positioniert, wobei jeder Abstandshalter nur Brennstäbe umschließt, die in dem entsprechenden Quadranten angeordnet sind. Die Abstandshalter 29 sind in axial (vertikal) hintereinander angeordneten Gruppen angebracht, beispielsweise so, wie es in den Fig. 9 und 10 angedeutet ist.

Bei der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform werden die Brennstäbe 31 des Brennelementbündels von einem Brennstoffkanal 30 umschlossen, bei dem jede Wand mit einem versteifenden Rücken in Form einer festgeschweißten Verseifungsleiste 32 versehen ist. Alternativ kann die Leiste 32 durch einen nach innen gebogenen Wandabschnitt ersetzt werden. Auf gleiche Weise wie in Fig. 6 ist ein relativ querschnittsstarkes Wasserrohr 34 zusammen mit 12 querschnittsschwächeren Wasserrohren 35 in einer kreuzförmigen Konfiguration angeordnet. In mehreren verschiedenen Höhenbereichen sind zwischen benachbarten Wasserrohren mechanische Verbindungselemente 36 angebracht, wobei diese Wasserrohre zusammen mit den Verbindungselementen 36 eine verseifende Stützanordnung 37 bilden, die in mehreren unterschiedlichen Höhenbereichen einen kreuzförmigen Querschnitt hat.

Der jeweilige Abstand zwischen derartigen Niveaubereichen ist mindestens genauso groß, wie die vertikale Erstreckung der Verbindungselemente 36, wodurch man eine gute hydraulische Verbindung zwischen benachbarten Quadranten des Brennelement­ kastens erhält, was eine Voraussetzung dafür ist, daß eine Ab­ standshalteranordnung nach der Erfindung die anfangs genannte der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe erfüllen kann. Jedes Verbindungselement 36 bildet einen spitzen Winkel mit einer Vertikalebene durch den zugehörigen Verseifungsarm, was zur Folge hat, daß das Reaktorkühlmittel beim Passieren eines Ver­ bindungselement eine horizontale Geschwindigkeitskomponente erhält. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, ist bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel die Schrägstellung bei den zu demselben Verseifungsarm gehörenden Verbindungselementen in verschiedenen Richtungen ausgeführt. Zweckmäßigerweise werden die in demselben Verseifungsarm unmitelbar nebeneinander angeordneten Ver­ bindungselemente abwechselnd mit unterschiedlichen Ablenkrichtung angeordnet, so wie es in Fig. 8 angedeutet ist. Die horizontale Geschwindigkeitskomponenten bewirken, daß sich der Kühlwasserfluß, der in einem unteren Abschnitt des Brennelementbündels auf einen bestimmten Brennstab lokalisiert ist, weiter oben auf mehrere Brennstäbe verteilen kann, wodurch eine besondere temperaturausgleichende Wirkung zusätzlich zu der erreicht wird, die dadurch erzielt wird, daß die Abstandshalter auf eine der in den Fig. 10, 12, 16 und 18 gezeigten Arten angeordnet sind.

Statt die Verbindungselemente 36 direkt an die Wasserrohre zu schweißen, kann man vorzugsweise auch Hülsen auf den Rohren anbringen und die Verbindungselemente an diesen Hülsen festschweißen.

Die Quadranten des Brennelementkastens enthalten jeweils ein Bündel von sechzehn Brennstäben. Diese werden von mehreren vertikal hintereinander angeordneten Abstandshaltern 38 umschlossen. Dadurch kann jede solche Gruppe von Brennstäben in­ dividuell eingesetzt und herausgenommen werden. Jedes der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Brennelementbündel kann mit Brennstoffkanälen, Unterteil und oberer und unterer Gitterplatte von im wesentlichen gleicher Konstruktion wie das in Fig. 1 gezeigte Brennelementbündel versehen sein. Ebenso wie bei diesem Brennelementbündel, kann jedes der Brennelementbündel von einem Feld des Kerngitters umschlossen sein, mit dessen Hilfe die Brennelementbündel auf solche Weise in einem Reaktorkern positioniert sind, daß zwischen ihnen Spalten zur Auf­ nahme von Steuerstäben gebildet werden.

Wie in den Fig. 13 und 14 angedeutet, kann ein Brennelementbündel mit im wesentlichen quadratischen Querschnitt mit einer Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Gruppen aus je vier Teilabstandshaltern versehen werden, von denen jeder in je einer Ecke des Brennelementbündels angeordnet ist, wobei jeder Teilabstandshalter eine Anzahl von Brennstäben umschließt, die größer ist als 1/4 der Gesamtzahl der Brennstäbe im Brennelementbündel.

Claims (6)

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor mit einem Brennstoffkanal (1; 20; 30) und einer Vielzahl vertikaler Brennstäbe (3; 22; 31) und mehreren in Längsrichtung des Brennelements hintereinander angeordneten Gruppen von Teilabstandshaltern, wobei die Zellen eines Teilabstandshalters alle auf dem gleichen Niveau liegen und wobei jeder Teilabstandshalter (6; 29; 38; S₁) einer Gruppe nur einen Teil der insgesamt im Brennelement vorhandenen Brennstäbe positioniert und alle Teilabstandshalter einer Gruppe zusammen sämtliche Brennstäbe des Brennelements positionieren, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zu einer Gruppe gehörenden Teilabstandshalter auf mindestens zwei verschiedenen Niveaus verteilt derart angeordnet sind,
• - daß das Brennelement durchströmende Kühlmittel in einem gewissen Umfange aus dem von einem Teilabstandshalter überdeckten Querschnitt des Brennelements in den von anderen, auf einem anderen Niveau liegenden Teilabstandshaltern derselben Teilabstandshalter-Gruppe überdeckten Querschnitt übertritt,
• - und daß jeder Teilabstandshalter mindestens ein Viertel sämtlicher Brennstäbe des Brennelements positioniert.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkanal einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt hat und daß jede Gruppe von Teilabstandshaltern vier Teilabstandshalter (6; 29; 38; S₁) enthält, von denen jeder in je eine des Brennstoffkanals angeordnet ist.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkanal mindestens eine verseifende Stützanordnung (26; 37) mit kreuzförmigem Querschnitt und vier an je einer Wand des Brennstoffkanals befestigten Versteifungsflügel enthält und daß jeder Teilabstandshalter ein Teilbrennstabbbündel positioniert, welcher unbehindert von der Stützanordnung zusammen mit seinen Teilabstandshaltern aus dem Brennstoffkanal herausnehmbar ist.

4. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der in den Ecken angeordneten Teilabstandshalter eine Anzahl Brennstäbe umschließt, die größer als 1/4 der insgesamt im Brennstoffkanal vorhandenen Brennstabanzahl ist (Fig. 13 und 14).

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ecken angeordneten Teilabstandshalter (6; 29; 38; S₁) jeder Gruppe auf vier verschiedenen Niveaus angeordnet sind.

6. Brennelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ecken angeordneten Teilabstandshalter in jeder Gruppe auf zwei verschiedenen Niveaus angeordnet sind (Fig. 12, Fig. 18).