DE3201960A1

DE3201960A1 - Kernreaktor mit einem gesteuerten kuehlmittelfluss durch die brennstoffelemente

Info

Publication number: DE3201960A1
Application number: DE19823201960
Authority: DE
Inventors: Richard L. Greensburg Pa. Briggs; Fred C. Pittsburgh Pa. Engel
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1981-01-23
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1982-09-30
Also published as: FR2498801A1; GB2091932B; FR2498801B1; GB2091932A; JPS57142593A

Description

- 3 - WS 297 P - 2431

Kernreaktor mit einem gesteuerten Kühlmittelfluß durch die Brennstoffelemente

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem in einem Sicherheitsbehalter angeordneten Kern, welcher aus auf Stützmodulen gehalterten Brennstoffelementen besteht und Einrichtungen umfaßt, mit welchen ein Kühlmittel durch die Stützmodule und die Brennstoffelemente zur Wärmeabfuhr geleitet wird, wobei die Brennstoffelemente jeweils mit einem in das Stützmodul einsetzbaren DUseneinsatz versehen sind, welcher Durchflußöffnungen hat.

Bei Kernreaktoren sind im Reaktorkern eine Vielzahl von Brennstoffelementen und Brutelementen angeordnet, welche durch einen durch den Kern des Reaktors geleiteten KUhlmittelstrom gekühlt werden. Bei verschiedenen Reaktorarten wurde es als wünschenswert vorgesehen, individuelle Blendenöffnungen zu haben, die üblicherweise im Einlaßbereich des Kühlmittels fm zum Brennstoffelemente liege ., um den KUhImittelfIuß variabel zu steuern.

15

Diese Blendenöffnungen dienen mehreren Funktionen, Wenn das Strömungsmittel unter Pumpendruck durch den Reaktorgeleitet wird, kann der Querschnitt der öffnungen derart gestaltet sein, daß der Strömungsmitteldruckabfall im Kern im wesentlichen durch den Querschnitt dieser öffnungen bestimmt wird. Damit lassen sich Strömungsmitteländerungen nur sehr geringfügig von den Bedingungen im Kern, d.h. vom Leistungsniveau her beeinflussen. Die öffnungen an den Brennstoffelementen können im Querschnitt verändert werden, um eine gute Verteilung des Strömungsmittelflusses zwischen den einzelnen Brennstoffelementen in Abhängigkeit von einem sich ändernden Leistungsniveau vorzusehen.

Eine

- 4 - WS 297 P - 2431

Eine derzeitige Verwirklichung sieht vor, daß die Öffnung im Gußteil des Stützmoduls für vier Brennstoffelemente angeordnet ist. Der Querschnitt der öffnungen in diesem System kann nur dadurch geändert werden, daß das gesamte Guß teil ausgetauscht wird. Dies ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Bei einem anderen Entwurf wird der einlaßseitige Teil des Einlaufe im Brennstoffelement mit Blendenöffnungen versehen. Somit ist eine Änderung des Querschnitts der Blendenöffnung nur beim Austausch des Brennstoffelementes möglich. Keine der bisher bekannten Konstruktionen sieht Blendenöffnungen vor, welche leicht austauschbar sind . oder bezüglich ihrer Querschnittsgröße leicht veränderlich sind.

Es ist daher wünschenswert, variable Blendenöffnungen an den einzelnen Brennstoffelementen vorzusehen. Die Leistungsverteilung bei der Energieerzeugung zwischen den einzelnen Brennstoffelementen eines Reaktorkerns ändert sich mit der Lebensdauer des Kernes, dem Leistungsniveau der Verteilung der eingesetzten Kontroll- bzw. Steuerstäbe und einer Vielzahl . weiterer Parameter der Kraftwerksanlage. Es ist daher wünschenswert, daß bei der Steuerung einer Kraftwerksanlage die Leistungsverteilung im Kern und die Variation der Blendenöffnungen überwacht werden kann, damit ein größerer Kühlmittelfluß zu den Brennstoffelementen mit höherer Temperatur geleitet werden kann und die Spitzentemperaturen im Kern abgebaut werden können. Mit dieser Maßnahme kann man erwarten, daß sich die Lebensdauer der Brennstoffelemente wesentlich erhöht.

Bei der Ausgestaltung der Brennstoffelemente als Brutelemente enthalten diese brutfähige Kerne, welche aufgrund der Kernreaktion in dem Brennstoffelement entstandene Neutronen absorbieren und dadurch in spaltbare Kernmateriale umgewandelt werden. Dieses spaltbare Kernmaterial ist dann für eine Energieerzeugung durch Kernspaltung geeignet. Zum Beginn der Lebensdauer eines Brutelementes wird nur verhältnismäßig wenig Strömungsmittelfluß benötigt. Mit einer Zunahme des spaltbaren Materials wird auch der Bedarf an KUhlungsmittel größer. Deshalb ist es wünschenswert, derartige Brennstoffelemente, die als Brutelemente dienen, mit Blendenöffnungen im Kühlmittelstrom zu versehen, welche eine Variation bzw. Veränderung der KUhlmittelmenge ermöglichen, wobei der Kühlmittelstrom am.

- 5 - WS 297 P - 2431

Anfang verhältnismäßig gering ist und gegen das Ende der Lebensdauer größer wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, mit denen bei Brennstoff- und Brutelementen der Kühlmittelstrom während der Lebensdauer zumindest von Zeit zu Zeit geändert und optimiert werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Kernreaktor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der DUseneinsatz und die innere Wand des Stützmoduls mit Gruppen von Blendenöffnungen und öffnungen in einer derartigen Anordnung versehen sind, daß Blendenöffnungen einen Kühlmittelstrom in Abhängigkeit von dem Drehwinkel freigeben bzw. versperren, mit weichem der Düseneinsatz in das StUtzmodul eingesetzt ist.

Ein nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauter Kernreaktor bietet den Vorteil, daß die Blendenöffnung bezüglich ihres Strömungsquerschnittes in einfacher Weise durch Drehen des Elementes bezüglich seines Stützmoduls veränderbar ist. Das Brennstoffelement kann sowohl rund als auch polygon im Querschnitt aufgebaut sein. In jedem Fall ist jedoch vorgesehen, daß eine bestimmte Anzahl von festliegenden Drehpositionen bezüglich dos Stützmoduls bestimmten Strömungsmittelmengen zugeordnet sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die Blendenöffnungen durch Einstellen der Drehposition während der Lebensdauer und zu vorgegebenen Zeitintervallen durch unterschiedliche Zuordnung zueinander geöffnet bzw. geschlossen werden. Mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung ist es möglich, den Strömungsmittelfluß durch bestimmte Brennstoffelemente individuell zu gestalten, so daß man die Erfindung auch dazu benutzen kann, um einen unsymmetrischen Strömungsmittelfluß innerhalb des Kerns vorzusehen. Die Stützmodule und der dazugehörige Düseneinsatz können sowohl am Ende des Brennstoffelementes oder auch in irgendeinem Zwischenbereich untergebracht sein.

Die 35

- 6 - WS 297 P - 2431

Die Maßnahmen, welche erforderlich sind um die Blendenöffnung zu verändern, sind einfach und können rasch durchgeführt werden. Dazu braucht das Brennstoffelement nur um einen geringfügigen Betrag angehoben werden, um es von den Verrastungen zu befreien, um es nach Änderung der Drehposition wieder abzusetzen und dabei zu verrasten.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausf Uhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
10

^*""" Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Elementmodul für Brennstoff- bzw.

Brutelemente gemäß der Erfindung,

Fig. 2, 3 und 4 Schnitte durch das Element und Modul gemäß Fig. 1 längs den Linie IHI, III-III und IV-IV der Fig. 1,

Fig. 5 eine Abwicklung eines Teils des Moduls, aus der die Anordnung der Öffnungen hervorgeht,

Fig. 6 eine Abwicklung eines Teils des Elementes, aus welcher die Anordnung der Öffnungen hervorgeht.

,. Die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels bezieht sich auf

eine Anwendung der Erfindung, bei der es wünschenswert ist, drei variable Blendengrößen in einem sechsseitigen Element vorzusehen. Das Element ist derart aufgebaut, daß es in einem Reaktorkern in einem sechsseitigen Kanal, welcher durch sechs angrenzende Elemente gebildet wird, gehalten werden kann, wobei das Element in sechs unterschiedlichen Drehwinkelpositionen ' einsetzbar ist. Die Drehung von einer Winkelposition zur nächsten erfolgt in der Weise, daß das Element aus dem Kern herausgezogen, um 60° gedreht und wieder in den Kern eingesetzt wird.

In Fig. 1 wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dns Blendensystem mit variabler Blendenöffnung ist am einlaufseitigen Bodenabschnitt des Elementes installiert. Das Element hat einen zylindri-

. sehen

- 7 - WS 297 P - 2431

sehen Düseneinsatz 5, welcher sich in den Modulteil 6 erstreckt. Dieser Modulteil 6 hat am einen Ende eine Öffnung 1 mit festliegendem Querschnitt, durch welche das gesamte Kühlmittel zufließt, das das Element durchsetzt. Der Modulteil 6 hat eine Innenwand 13 und eine Außenwand 12, zwischen welchen ein Ringraum 10 ausgebildet ist, in welchem die Verteilung des Kühlmittels erfolgt, so daß es durch die öffnungen in der Innenwand 13 fließt. Diese öffnungen sind axial versetzt in Gruppen angeordnet und besteht aus einer oberen Gruppe von Blendenöffnungen 7, einer unteren Gruppe von Blendenöffnungen 8, sowie einer nicht bloekierbaren Gruppe von Öffnungen 9. Entsprechend ist im zylindrischen Düseneinsatz eine Gruppe von Blendenöffnungen 2 angeordnet, die axial in der Ebene der Gruppe von Blendenöffnungen 7 liegen, wenn sich der Düseneinsatz in Betriebsposition befindet. Ferner hat der Düseneinsatz eine Gruppe von Blendenöffnungen 3» die entsprechend den Blendenöffnungen 8 zugeordnet sind. Im Bereich der nicht blockierbaren öffnungen 9 ist der DUseneinsatz 5 mit einem durchmesserverringerten Bereich 17 versehen.

Die radiale Verteilung und die Anzahl der Blendenöffnungen in den einzelnen Gruppen ist derart vorgesehen, daß in jeder der sechs möglichen Ausrichtungen des Elementes einige der öffnungen im Modulteil 6 dadurch blockiert sind, daß die jeweiligen Blendenöffnungen nicht auf die zugeordneten Öffnungen im Düseneinsatz ausgerichtet sind. Eine entsprechende Anzahl von Öffnungen im Modulteil werden nicht verschlossen, da entsprechende Blendenöffnungen der jeweiligen Gruppen aufeinander ausgerichtet sind.

Bei der bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung können die Öffnungen nicht blockiert werden, da im Bereich 17 der zylindrische Düsencinsntz einen verringerten Durchmesser hat und somit das über die Öffnung 1 mit dem festliegenden Querschnitt zugeführte und in den Ringraum 10 einfließende Kühlmittel durch die Öffnungen 9 in den zylindrischen Düseneinsatz einfließen kann und durch eine Anordnung von Bohrungen 11 in einer unteren Querschnittsebene und Bohrungen 4 in einer oberen Querschnittsebene nach oben durch das Element abfließen kann. Der gesamte effektive Öffnungsquerschnitt im Element ergibt sich durch die Kombination der

einzelnen

- 8 - WS 297 P - 2431

einzelnen hydraulisch wirksamen Öffnungsquerschnitte im Element und im Düseneinsatz zusammen mit den Bohrungen 4, 11 sowie der Öffnung 1 mit festliegendem Querschnitt.

Der Ringraum 10 führt das Kühlmittel auch den Gruppen von Blendenöffnungen 7 und 8 zu, welche im nicht verschlossenen Zustand einen Bypass für das Kühlmittel bezüglich der Bohrungen 4 und 11 mit dem festliegenden Querschnitt bilden. Ob diese Blendenöffnungen geöffnet oder geschlossen sind, hängt lediglich von der Drehorientierung des Elementes ab.

Die Öffnungen 1 sowie die Bohrungen 4 und 11 mit festliegendem Querschnitt sind in einer verhältnismäßig großen Vielzahl und mit geringem Durchmesser vorgesehen. Die Konstruktion wird derart gewählt, daß einerseits Kavitation vermieden und andererseits der größte Teil des Druckabfalles im Element aufgrund dieser Öffnungen entsteht. Die Blendenöffnungen 7 und 8 haben einen wesentlichen größeren Querschnitt und bewirken, nur einen sehr geringen zusätzlichen Druckabfall. Das Ausbilden eines Bypasses für den Strömungsweg durch Öffnen der Blendenöffnungen dient somit dem Zweck, den Anteil der Strömung durch die Bohrungen mit festliegendem Querschnitt und die durch diese Bohrungen bewirkte Verteilung zu verringern, um dadurch den insgesamt wirksamen Öffnungsquerschnitt zu verändern. Man erkennt aus dem vorausstehenden, daß es möglich ist, unterschiedliche Öffnungsquerschnitte dadurch vorzusehen, daß entsprechend den Anforderungen einer Verteilung an Öffnungen und Bohrungen vorgesehen wird, die durch entsprechende Änderung der Drehwinkelorientierung des Elementes eingestellt werden kann. Die nachfolgende Beschreibung stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar.

In Fig. 5 ist eine Abwicklung der Innenwand 13 dargestellt. Eine entsprechende Abwicklung für den Düseneinsatz 5 ist in Fig. 6 gezeigt. Aus diesen Darstellungen geht die radiale Position und die Anzahl der Öffnungen der einzelnen Gruppen hervor, mit denen die gewünschte Strömungsbeeinflussung möglich ist. Die Verteilung der Öffnungen in den Fig. 5 und 6 ergibt drei verschiedene Kombinationen der Ausbildung von Strömungswegen

durch

- 9 - WS 297 P - 2431

durch das Element wie nachfolgend erläutert wird. Dabei sind die Öffnungen 9 bzw. 18 gemäß Fig. 1 und 2 immer geöffnet.

Die Gruppe von Blendenöffnungen 3 kann derart im Modulteil 6 angeordnet sein, daß die Öffnungen bei 120°, 180° , 300° und 360° der Gruppe von Blendenöffnungen 3 alle auf fehlende Blendenöffnungen 8 bei 180°, 240°, 360° und 60° im Modulteil ausgerichtet sind.

Bei dieser Ausrichtung sind die Öffnungen 19 der unteren Gruppe von Blendenöffnungen 8 im Modulteil blockiert, da der DUseneinsatz bei der Winkelposition 60° und 240° keine Öffnungen hat. Die Gruppe von Blendenöffnungen 2 des Düseneinsatzes und die obere Gruppe von Blendenöffnungen 7 des Modulteils sind ebenfalls blockiert.

Durch eine Drehung des Düseneinsatzes um 60° derart, daß die Öffnungen 21 der unteren Gruppe von Blendenöffnungen 3 bei 120° und 300° liegen, ergibt sich eine Ausrichtung auf die Öffnungen 19 der unteren Gruppe von Blendenöffnungen 8 im Modulteil bei 120° und 300°. Dadurch werden zwei Blendenöffnungen in der unteren Gruppe freigegeben. Bei derselben Ausrichtung werden auch die beiden Öffnungen 22 im DUseneinsatz von der Gruppe von Blendenöffnungen 2 auf die Öffnungen 20 der Gruppe von Blendenöffnungen 7 im Modulteil ausgerichtet, so daß ein Durchfluß möglich ist.

Eine weitere Drehung um 60° in derselben Richtung bewirkt eine Blockierung der öffnungen 21 im Düseneinsatz bei 120° und 300° , bezogen auf die untere Gruppe von Blendenöffnungen 3, jedoch eine Öffnung der Blendenöffnungen 21 bei 180° und 360°. Dadurch ergibt sich keine wesentliche Änderung des Strömungsquerschnittes im unteren Teil des DUseneinsatzes bezüglich der Gruppe von Blendenöffnungen 3 durch diese weitere Verdrehung. Jedoch werden durch diese Verdrehung die Öffnungen der oberen Gruppe von Blendenöffnungen 2 verschlossen.

Aus der vorausgehenden Beschreibung und den Fig. 5 und 6 kann man entnehmen , daß sich drei Flußkonfigurationen ergeben:

- 10 - WS 297 P - 2431

1.) Ein Strömungsweg lediglich durch die nicht blockierbaren Öffnungen 1 sowie die Bohrungen 4 und 11,

2.) einen Strömungsweg durch die nicht blockierbaren Öffnungen und Bohrungen und zusätzlich ein Strömungsweg durch zwei Blendenöffnungen der unteren Gruppe von Blendenöffnungen 3 sowie zusätzlich über zwei Öffnungen der oberen Gruppe von Blendenöffnungen,

3.) ein Strömungsweg durch die nicht blockierbaren Öffnungen und Bohrungen sowie zusätzlich ein Strömungsweg durch zwei, Bohrungen der unteren Gruppe von Blendenöffnungen 3.

ΙΩ

In der Strömungskonfiguration 1) ergibt sich der größte Strömungswiderstand da das Kühlmittel lediglich durch den festliegenden Querschnitt der Öffnungen 1 und Bohrungen 4 und 11 fließen kann.

in der Strömungskonfiguration 2) kann der größte Teil des Strömungsmittels an den Öffnungen und Bohrungen mit festliegendem Querschnitt vorbeifließen, so daß sich ein sehr geringer Strömungswiderstand ergibt.

In der dritten Strömungskonfiguration wird über den Bypass nur ein Teil des Strömungsmittels geführt, so daß sich ein mittlerer Strömungswiderstand einstellt.

_w. Die Strömungskonfiguration 2) ist in Fig. 1 mit Pfeilen angedeutet. Ebenso

entsprechen die Fig. 2, 3 und 4 dieser Strömungsmittelkonfiguration 2.

25

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß der durchmesserverringerte Bereich 17 des DUseneinsatzes nicht in der Lage ist, irgendwelche Bohrungen 18 der Gruppe von Öffnungen 9 zu blockieren. Aus der Darstellung gemäß Fig. 3 ergibt sich, daß ein Strömungsmittelfluß lediglich über die nicht blockierten Blendenöffnungen bei 120°und 300° möglich ist. Die nicht blockierten Öffnungen sind identisch mit den Öffnungen 21 bei 120° und 300° im Düseneinsatz gemäß Fig. 6, wogegen im Modulteil die Öffnungen 19 bei 120° und 300° gemäß Fig. 5 geöffnet sind. Aus Fig. 3 geht auch hervor, daß Öffnungen 15 und 16 bei 180° und 360° im Düseneinsatz existieren. Diese Öffnun-

35

gen

- 11 - WS 297 P - 2431

gen entsprechen den Öffnungen 21 bei 180° und 360° gemäß Fig. 6.

In Fig. 4 ergibt sieh eine ungehinderte Strömung durch die öffnungen bei 180° und 360°. Diese öffnungen sind identisch mit den Öffnungen 22 im Düseneinsatz gemäß Fig. 6 und den öffnungen 20 im Modulteil gemäß Fig.

Bei der vorausstehenden Betrachtung wurde mit einer bestimmten Orientierung des Düseneinsatzes 5 zum Modulteil 6 begonnen und dann schrittweise die Orientierung winkelig geändert. Die Ergebnisse sind unabhängig vom Ausgangspunkt bei der winkeligen Versetzung, da immer nur die vorausstehenden drei Strömungskonfigurationen bei dem AusfUhrungsbeispiel möglich sind.

Man kann durch eine entsprechende winkelige Zuordnung des Düseneinsatzes und des Modulteils die Blendenöffnungen im Querschnitt effektiv verändern, wobei eine solche Veränderung zu jeder Zeit möglich ist, wenn nur der Düseneinsatz gedreht wird.

Die vorstehende Erläuterung bezieht sieh auf ein AusfUhrungsbeispiel, bei dem lediglich drei verschiedene Strömungskonfigurationen gegeben sind. Es ist offensichtlich, daß durch eine entsprechende Auswahl und Anordnung der Bohrungen und öffnungen auch andere Strömungskonfigurationen vorgesehen werden können.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

hJ) Kernreaktor mi* einem in einem Sicherheitsbehälter angeordneten Kern, welcher aus auf Stützmodulen gehalterten Brennstoffelementen besteht und Einrichtungen umfaßt, mit welchen ein Kühlmittel durch die Stütz module und die Brennstoffelemente zur Wärmeabfuhr geleitet wird, wobei die Brennstoffelemente jeweils mit einem in das Stützmodul einsetzbaren .· Düseneinsatz versehen sind, welcher Durchflußöffnungen hat, dadurch gekennzeichnet,

daß der Düseneinsatz (5) und die innere Wand (13) des Stützmoduls (9) mit Gruppen von Blendenöffnungen (2, 7; 3, 8) und Öffnungen (9) in einer derartigen Anordnung versehen sind, daß Blendenöffnungen einen Kühlmittelstrom in Abhängigkeit von dem Drehwinkel freigeben bzw. versperren, mit welchem der Düseneinsatz in das Stutzmodul eingesetzt ist.
2.) Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe von Blendenöffnungen (2, 7) axial versetzt zu einer zweiten Gruppe von Blendenöffnungen (3, 8) in der inneren Wand (13) und dem Düseneinsatz (5) ausgebildet sind,

daß zwischen der ersten und zweiten Gruppe von Blendenöffnungen eine Trennwand mit Bohrungen (4) festliegenden Querschnitts vorhanden ist, daß zumindest in einer ersten Drehwinkellage des Stützmoduls (6) nur die zweite Gruppe von Blendenöffnungen (3, 8) geöffnet ist, und das Kühlmittel

- 2 - WS 297 P - 2431

durch die Bohrungen (4) der Trennwand abfließt, und daß zumindest in einer zweiten Drehwinkellage des Stützmoduls (6) sowohl die erste als auch die zweite Gruppe von Blendenöffnungen (2, 7 + 3, 8) geöffnet ist, wobei die Trennwand mit den Bohrungen (4) bezüglich der ersten Gruppe von Blendenöffnungen (2, 7) strömungsaufwärts gelegen ist.
3.) Kernreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (9) axial versetzt stromaufwärts von der zweiten Gruppe von Blendenöffnungen (3, 8) angeordnet sind und einen Strömungsmittelfluß freigeben, daß zwischen den Öffnungen (9) und der zweiten Gruppe von Blendenöffnungen (3, 8) eine weitere Trennwand mit Bohrungen (11) festliegenden Querschnitts vorhanden ist und daß die Öffnungen (9) in jeder Drehwinkellage des DUseneinsatzes bezüglich des Stützmoduls einen freien Strömungsmitteldurchfluß ermöglichen.
4.) Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente Brutelemente sind, in welchen brütbares Material während des Betriebs des Reaktors in wärmeerzeugendes Material umgewandelt wird.