DE3139823C2 - Brennstoffbündel - Google Patents

Abstract

Die ungleichförmige axiale Neutronenflußdichteverteilung in einem Kernreaktorkern wird durch die Verwendung von Brennstab-Abstandshaltern geringer Neutronenabsorption in Bereichen hoher Neutronenflußdichte und von Brennstab-Abstandshaltern geringen Kühlmittel-Strömungswiderstands in Bereichen geringer Neutronenflußdichte des Kerns genutzt, wobei diese Abstandshalterkombination auch höhere thermische Grenzen der Brennstoffbündel bietet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffbündel für einen von einem neutronenmoderierenden Kühlmittel durchströmten Kernreaktor, der im Kern eine Neutronenflußdichte aufweist, die von geringen Werten am Kernrand zu höheren Werten im Kerninneren variiert, wobei das Brennstoffbündel eine Vielzahl langgestreckter Brennstoffelemente, obere und untere Endplatten and dazwischen eine Vielzahl über das Brennstoffbündel axial verteilter erster und zweiter Abstandshalter zur Halterung der Brennstoffelemente aufweist, und wobei die ersten Abstandshalter einen relativ geringen Neuironenabsorpüonsquerschnitt und einen relativ hohen Kühlmittelströmungswiderstand aufweisen, während die zweiten Abstandshalter einen relativ hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt und einen relativ kleinen Kühlmittelströmungswiderstand aufweisen.

Ein solches Brennstoffbündel ist aus der US-PS 40 59 483 bekannt.

Bei diesem bekannten Brennstoffbündel werden zweierlei Abstandshalter verwendet, um die langgestreckten Brennsioffbündel auf Abstand zu halten. Die ersten Abstandshalter bestehen aus einem Material mit geringer Festigkeit und mit geringem Neutronenabsorptionsquerschnitt, wie z. B. aus einer Zirkoniumlegierung, und halten bei normalen Reaktorbetriebsbedingungen die Brennstoffelemente in ihren gegenseitig beabstandeten Positionen. Während die zweiten Abstandshalter des bekannten Brennstoffbündels aus einem Material mit hoher Festigkeit, aber auch mit hohem parasitären Neutronenabsoiptionsqjerschnitt hergestellt sind, und iediglich im Falle eines Erdbebens die seitliche Bewegung der Brennstoffelemente begrenzen sollen, wodurch auch bei Erdbeben die Abstände zwischen den Brennstoffelementen, besser eingehalten werden können. Die zuletzt genannten Abstandshalter sind so aufgebaut, daß die durch sie bedingte Strömungsdrosselung minimal bleibt.

Abstandshalter mit geringer Neutronenabsorption oder alternativ mit geringer Strömungsdrosselung sind an sich bekannt.

Nämlich ein Abstandshalter mit geringer Strömungsdrosselung ist z. B. aus der US-PS 4 19 494 bekannt, während in der US-PS 36 54 077 ein Abstandshalter mit geringer parasitärer Neutronenabsorption beschrieben ist, dessen Federelemente aus einem Material mit einem höheren Neutronenabsorptionsquerschnitt bestehen.

Bei der Auslegung von Abstandshaltern werden üblicherweise an diese zwei gegenläufige Forderungen gestellt: Sie sollen einerseits eine parasitäre Neutronenabsorption und andererseits auch eine minimale Kühlmittel-Strömungsdrosselung aufweisen,

Um die Drosselung des Kühlmittelstroms minimal zu halten, müssen Abstandshalterteile dünn und von minimalem Querschnitt sein. Doch müssen solche dünnen Teile aus hochfestem Material mit geeigneten Elastitzitätseigenschaften sein, die jedoch verhältnismäßig hohe Neutronenabsorptionsquerschnitte aufweisen.

Andererseits erweisen sich Materialien mit geringen Neutronenabsorptionsquerschnitten als von verhältnis-

mäßig geringer Festigkeit, schwieriger Formbarkeit und fehlender Elastizität

Aufgabe der Erfindung ist bei dem eingangs genannten Brennstoffbündel eine Abstandshalteranordnung zu schaffen, die die gegenläufigen Forderungen nach möglichst geringer parasitärer Neutronenabsorption und nach möglichst geringer Kühlmittelstromdrosselung bietet so aufeinander abgestimmt werden, daß die Kernreaktorleistung vergrößert werden kann.

Ferner soll eine Abstandshalteranordnung geschaffen werden, die aus den verschiedenen Neutronenflußdichtebereichen eines Siedewasser-Reaktors Nutzen zieht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ersten Abstandshalter im axialen Bereich des Brennstoffbündels mit höherer Neutronenflußdichte angeordnet sind und daß die zweiten Abstandshalter im axialen Bereich des Brennstoffbündels mit niedrigerer Neutronenflußdichte angeordnet sind.

In einem wassergekühlten und -moderierten Reaktor ist die Flußdichte thermischer Neutronen im oberen Bereich des Kerns geringer als im unteren, und zwar aufgrund der geringeren Dichte des Wassers, dl es beim Durchgang durch den Kern erhitzt wird. In einem Siedewasserreaktor ist dieser Effekt durch das Sieden im oberen Kernbereich besonders ausgeprägt

Erfindungsgemäß werden im Brennstoffbündel erste Abstandshalter verhältnismäßig geringer Neutronenabsorption im Bereich hoher Neutronenflußdichte des Kerns verwendet (d. h. im unteren Teil), während die zweiten Abstandshalter mit minimaler Projektionsfläche, die verhältnismäßig geringen Kühlmittelstromwiderstand bieten, im Kernbereich mit niedriger Neutronenflußdichte (d. h. im oberen Teil) verwendet werden, so ihr hoher Neutronenabsorptionsquerschnitt geringere Folgen hat.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennsioifbündeis finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert Im einzelnen zeigen:

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Siedewasserreaktors ,

F i g. 2 einen Längsschnitt eines Brennstoffbündels,
F i g. 3 eine Kurze, die eine typische axiale Flußveränderung thermischer Neutronen in einsm Siedewasserreaktorkern, auch im Hinblick auf die typischen Axialanordnungen der Abstandshalter der Brennelemente, veranschaulicht,

F i g. 4 eine Draufsicht ?snes ersten Abstandshalters, F i g. 5A eine Draufsicht eines zweiten Abstandshalters mit geringem Druckabfall und

F i g. 5B eine isometrische Ansicht der Zellen, die den Abstandshalter der F i g. 5A bilden.

Die Erfindung wifd hier als in einem wassergekühlten und -moderierten Siedewasserreaktor angewandt beschrieben, wofür ein Beispiel in der vereinfachten Schemazeichnung der F i g. 1 dargestellt ist. Solch ein Reaktorsystem umfaßt einen Druckbehälter 10 mit einem Reaktorkern 11, eingetaucht in Kühlmittel, wie leichtes Wasser. Der Kern 11, der von einer ringförmigen Abschirmung 12 umgeben ist, umfaßt eine Vielzahl ersetzbarer Brennstoffbündel 13, im Abstand zueinander zwischen einem oberen Kerngitter 14 und einer unteren Kernplatte 16 angeordnet.

Eine Reihe von Regelstabantrieb aufnehmenden Rohren 17 beherbergt Regelstabantrieb^ wodurch eine Reihe von Regelstäben Ii* selektiv unter den Brennelementen 13 zur Regelung der Reaktivität des Kems eirisetzbar ist. Jedes der Rohre 17 ist mit einem Brennstoffbündel-Tragteil 19 ausgestattet, deren jedes mit Muffen zur Aufnahme der Nasenteile 21 von hier benachbarten Brennstoffbündeln ausgebildet ist Die Nasenteile 2 J und die Tragteile 19 weisen Kühlmitteldurchgänge unter öffnungen zur Verbindung mit einer Kühlmittelnachschubkammer 22 auf. Eine Kühlmittelumlaufpumpe 23 setzt das Kühlmittel in der Versorgungskammer 22 unter Druck, von der das Kühlmittel so durch die öffnungen in den Tragteilen 19 und die Nasenteiie der Brennstoffbündel bis hinauf durch die Brennstoffbünde] gedrückt wird. Ein Teil des Kühlmittels wird dadurch in Dampf umgewandelt der durch einen Abscheider/ Trockneranordnung 24 zu einer Turbine 26 strömt In einem Kühler 27 gebildetes Kondensat wird als Zufuhrwasser zum Behälter 10 mit Hilfe einer Pumpe 28 rückgeführt.

Ein Brennstoffbündel 13 ist im Aufriß in F i g. 2 veranschaulicht Das Brennstoffbündel 13 umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffelementen 31, gttiagen zwischen einer oberen Endplatte 32 und einer unteren Endplatte 33 aufweisen. Die Brennstoffelemente 31 führen durch eine Vielzahl von Abstandshaltern (34(1)—34fo/), wodurch die langgestreckten Brennstoffelemente auf gegenseitigen Atitand zueinander zugehalten werden und ihre seitlichen Schwingungen unterdrückt werden.

Jedes der Brennstoffelemente 31 besteht aus einem langen Rohr mit spaltbarem Brennstoff und anderen Materialien, wie brütbarem Brennstoff oder abbrennbarem Reaktorgift, die in dem Rohr durch obere und untere Endstopfen 36 und 37 eingeschlossen sind. Die unteren Endstopfen 37 weisen Verjüngungen zum Erfassen und zur Aufnahme in tragenden Ausnehmungen 38 auf, die in der unteren Endplatte 33 ausgebildet sind. Die oberen Endstopfen 36 weisen Verlängerungen 39 auf, die in Lagerhöhien 41 in der oberen Endplatte 32 passen. Mehrere der Lagerausnehmungen 38 (z. B. einige ausgewählte der Kanten- oder Randausnehmungen) in der unteren Endplatte 33 sind mit Gewinden ausgebildet um Brennstoffelemente mit Gewindestopfen 37' am unteren Ende aufzunehmen. Die Verlängerungen oder Zapfen 39' der Stopfen am oberen Ende derselben Brennstoffelemente sind langgestreckt, um durch die Ausnehmungen in der oberen Endplatte 32 zu führen, und mit Gewinden versehen, um die Haltemuttern 42 zu erfassen. So werden die obere und die untere Endplatte und die Brennstoffelemente zu einer Baueinheit

Das Brennstoffbündel 13 weist ferner einen dünnwandigen, rohrartigen Strömungskanal 43 mit einem so bemessenen Querschnitt auf, daß über der oberen und unteren Endplatte 32 und 33 und den Abstandshaltern 34 (1) bis 34(n) ein Gleitsitzt gebildet wird, so daß der Kanai 43 leicht angebracht und entfernt werden kann. Am oberen Ende des Strömungskanals 43 ist eine Zunge 44 befestigt, durch die der Kanal über eine Stange 46 mit der oberen Endplatte 32 mit Hilfe eines Bolzens 47 befestigt ist

Die untere Endp'atte 33 ist mit einem Nasenteil 21 ausgebildet, das so angepaßt ist, daß es das Brennstoffbündel 13 in einer Muffe des Tragteüs 19 trägt, wie in F i g. 1 dargestellt

F i g. 3 zeigt eine Kurve 48 der typischen axialen Flußverteilung thermischer Neutronen in einem Siedewasserreaktorkern im Zusammenhang mit der aktiven Kernhöhe; d. h., hinsichtlich des brennstoffhaltigen Teils der Brennstoffelemente der Brennstoffbündel.

Wenn die Dichte des Wasser-Moderators axial

gleichförmig wäre, hätte die axiale Flußverteilung thermischer Neutronen Kosinus-Form, d. h. ein Maximum in der Mitte und nach oben und unten des Kerns abnehmend.

Unter wirklichen Reaktorbetriebsbedingungen erwärmt sich jedoch das Wasser beim Durchströmen des Brennstoffbündels, wodurch seine Moderatormischung abnimmt. In einem Siedewasserreaktor erzeugt das Sieden ein zweiphasiges Dampf/Wasser-Gemisch im oberen Teil der Brennstoffbündel, was die Dichte und den Moderatoreffekt weiter verringert Das Ergebnis ist eine thermische Neutronenflußverteilung, die im Bereich des Reaktorkernbodens eine Spitze hat, wie durch die Kurve 48 dargestellt.

F i g. 3 zeigt auch die realtiven axialen Positionen 5p (1) Sp(I) der sieben Abstandshalter, die in dem Brennstoffbündel 13 des Beispiels verwendet sind. Man sieht, daß die Positionen der Abstandshalter durch die örtlichen »Absenkungen» in der Fiußdichtckiirvc 48 in Erscheinung treten, verursacht durch die Neutronenabsorption durch die Abstandshalter.

Erfindungsgemäß werden die ersten Abstandshalter mit geringer Neutronenabsorption in den unteren drei oder vier Abstandshalterpositionen verwendet, während die zweiten Abstandshalter mit geringem Strömungswiderstand in den oberen drei oder vier Abstandshalterpositionen verwendet werden.

Ein geeigneter erster Abstandshalter ist in Fig.4 als Abstandshalter 34 (1) dargestellt, und weist ein Umfangsband 50 auf, das eine Reihe quer gezogener Unterteilungsglieder trägt, einschließlich Unterteilungsglieder 51 und Federträger-Unterteilungsglieder 52, im Abstand voneinander unter Ausbildung einer Reihe von Zellen 53. An den Schnittstellen der Unterteilungsglieder 52 sind vierseitige Kastenfederelemente 54 mit nach außen ragenden. V-förmigen Federteilen 55, angeordnet, die in die Durchlässe 53 ragen, wodurch die Brennstoffelemente in Kontakt mit gegenüber angeordneten, verhältnismäßig starren Vorsprüngen 56 gedrückt werden, die in den Unterteilungsgliedern 51 ausgebildet sind.

Die Bauteile des Abstandshalter 34 (1) sind aus einem Material mit niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt, wie einer Zirkoniumlegierung, z. B. Zircaloy-4. Die Federteile 54 sind aus einem Material mit geeigneten Festigkeits- und Elastizitätseigenschaften, wie eine Nickellegierung, z. B. Inconel.

Ein erster Abstandshalter des in Fig.4 dargestellten Typs ist im einzelnen in der zuvor erwähnten US-PS 36 54 077.

Ein geeigneter Abstandshalter mit geringem Strömungswiderstand ist als Abstandshalter M(n) in F i g. 5A veranschaulicht Der Abstandshalter 34 (n) besteht aus einer Vielzahl von Zellen 61, die in regelmäßiger Anordnung zusammengestellt und zusammengeschweißt sind Eine der Zellen 6i, die den Abstandshalter 34 (^aufbauen, ist in F i g. 5B veranschaulicht

Die Zelle 61 ist z. B. aus einem Metallblech gestanzt, das dann zu der dargestellten Konfiguration gebogen wird. So geformt umfaßt die Zelle 61 ein Paar axial ausgerichteter polygonaler Hülsen 62 (1) und 62 (2), die axial voneinander entfernt sind, und durch ein Paar seitlich im A bstand vorhandener Federteile 63 (1) und 63 (2), die im allgemeinen W-Form aufweisen und in die Zelle reichen, miteinander verbunden sind.

An ihren Scheiteln haben die Federteile 63 (1) und 63 (2) Vorsprünge 64 zur Begrenzung der Kontaktfläche mit dem Brennstoffelement in der Zelle. Die seitliche Federkraft der Federteile 63 (1) und 63 (2) auf das Brennstoffelement spannt das Brennstoffelement zum Kontakt mit verhältnismäßig starren Vorsprüngen 66 vor, die in den Hülsen 62 (1) und 62 (2) in den Seiten der Zelie gegenüber den Federn ausgebildet sind.

Der durch die zusammengeschweißten Zellen 61 gebildete Abstandshalter M(n) kann durch zusätzliche periphere Plattenteile 67 mit minimaler Projektionsfläche an die Hülsen der Randzellen angeschweißt, verfestigt werden.

Da die Federteile 63 (1) und 63 (2) integral ausgebildet sind, besteht die gesamte Abstandshalterstruktur aus einem Material mit geeigneten Elastizitätseigenschaften. Solch ein geeignetes Material ist eine Nickellegierung, wie Inconel.

Ein geeigneter zweiter Abstandshalter, wie in den Fig.5A und 5B veranschaulicht, ist im einzelnen in der zuvor erwähnten US-PS 41 90 494 beschrieben.

Gemäß einer bevorzügien Form der Erfindung, in einem Siedewasserreaktor angewandt, werden erste Abstandshalter (34 (IJ) mit geringer Neutronenabsorption in dem Kernbereich mit hohem Neutronenfluß verwendet, nämlich in den Abstandshalterpositionen 5p (1), Sp (2) und Sp (3), während die zweiten Abstandshalter 3A(n) mit geringem Kühlmittel Strömungswiderstand (Fig.5A) in dem Bereich mit geringem Neutronenfluß, nämlich in den Abstandshalterpositionen Sp (S), Sp (6) und 5p (7), verwendet werden. Jeder Abstandshaltertyp kann in der mittleren Abstandshalterposition 5p (4) verwendet werden, da dort eine Bevorzugung eines der beiden Abstandshaltertypen wegen des Zwischenweris der Neutronenflußdichte in dieser Position nicht besteht.

Die beiden in den Beispielen angegebenen Arten von Abstandshaltern unterscheiden sich dadurch, daß der zweite Abstandshalter mit geringem Strömungswiderstand eine wesentlich größere Neutronenabsorption hat als der erste Abstandshalter. Die Folge hiervon ist, daß sich eine Reaktivitätseinbuße von etwa 50% ergibt, wenn an allen sieben Abstandshalterpositionen anstelle der ersten Abstandshalter in allen Positionen die zweiten Abstandshalter verwendet würden.

Andererseits zeigen Strömungstests, daß der Druckabfall des Kühlmittelstroms durch das Brennelement um etwa 20% abnimmt und die Temperatur um 19% erhöht wird, wenn zweite Abstandshalter in allen Positionen verwendet werden, verglichen mit dem Druckabfall und der Temperaturerhöhung bei Verwendung von ersten Abstandshaltern an allen Positionen.

Durch die Verwendung der Brennstoffbündel «»ernäß der Erfindung werden im Vergleich zu dem Fall, wie an allen Positionen erste Abstandshalter eingesetzt sind, der Druckabfall des Kühlmittelstroms in der Größenordnung von 15% und die Temperatur in der Größenordnung von 10% herabgesetzt, während die Reaktivitätseinbuße lediglich etwa 20% beträgt

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbündel für einen von einem neutronenmoderierenden Kühlmittel durchströmten Kernrekator, der im Kern eine Neutronenflußdichte aufweist, die von geringen Werten am Kernrand zu höheren Werten im Kerninneren variiert, wobei das Brennstoffbündel eine Vielzahl langgestreckter Brennstoffelemente, obere und untere Endplatten und dazwischen eine Vielzahl über das Brennstoffbündel axial verteilter erster und zweiter Abstandshalter zur Halterung der Brennstoffelemente aufweist, und wobei die ersten Abstandshalter einen relativ geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt und einen relativ hohen Kühlmittelströmungswiderstand aufweisen, während die zweiten Abstandshalter einen relativ hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt und einen relativ kleinen Kühlmittelströmungswkitrstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Abstandshalter [34(IJ) im axialen Bereich des Brennstoffbündels mit hoher Neutronenflußdichte angeordnet sind und daß die zweiten Abstandshalter (34(nJ) im axialen Bereich des Brennstoffbündels mit niedrigerer Neutronenflußdichte angeordnet sind.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1 für einen Siedewasserreaktor, bei dem während des Reaktorbetriebes das Kühlmittel in einem oberen Siedebereich des Kerns ein Dampf/Flüssigkeits-Zweiphasengemisch bildet und in einem unteren Bereich des Kerns nur aus einer Flüssigkeitsphase besteht, dadurch gekennzeichnet, daß oie ersten Abstandshalter (34(1J) überwiegend im nicht siedenden Bereich des Kerns angeordnet sind und die zweiten Abstandshalter (34(nJ) überwiegend im Siedebereich angeordnet sind.

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffelemente durch Zellen der Abstandshalter hindurchgehen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Brennstoffelement in der jeweiligen Zelle des Abstandshalters mit einer elastischen Einrichtung im Eingriff steht, und daß bei dem zweiten Abstandshalter (34(nJ), den aufgrund einer minimalen Projektionsfläche einen minimalen Kühlmittel-Strömungsdruckabfall aufweist, die elastische Einrichtung mit dessen Bauteilen integriert ausgebildet ist

4. Brennstoffbündel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Abstandshalter (34(1J) überwiegend aus einer Zirconiumlegierung und die zweiten Abstandshalter (34(nJ) überwiegend aus einer Nickellegierung bestehen.

5. Brennstoffbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile der ersten Abstandshalter (34(1J) aus einer Zirconiumlegierung und deren elastische Einrichtungen (54, 55) aus einer Nikkeilegierung bestehen.

6. Brennstoffbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Abstandshalter (34(nJ) einschließlich deren elastischen Einrichtungen aus einer Nickellegierung bestehen.

7. Brennstoffbündel nach Anspruch 1 oder 2 mit sieben Abstandshalterpositionen, dadurch gekennzeichnet, daß an den unteren vier Positionen sich erste Abstandshalter (34(IJ) und an den oberen drei Positionen sich zweite Abstandshalter (34(nJ) befinden.

8. Brennstoffbündel nach Anspruch 1 oder 2 mit

sieben Abstandshalterpositionen, dadurch gekennzeichnet, daß an den unteren drei Positionen sich erste Abstandshalter (34(1J) und an den oberen vier Positionen sich zweite Abstandshalter (34(nJ) befindea