DE3225104C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Kern­ reaktor mit einem Brennelementskelett, das aus Führungsrohren für Steuerstäbe, Abstandshaltern, Kopf- und Fußstücken besteht und Brennstäbe aufnimmt, wobei den Führungs­ rohren Strömungsleiteinrichtungen zur Vergleichmäßigung der Temperatur des Reaktorkühlmittels über den Brennelementquerschnitt zugeordnet sind.

Nach der deutschen Patentschrift 26 02 124 sind die Stege der Abstandshalter in der Nähe der Führungs­ rohre so gebogen, daß sie den nicht vom Führungs­ rohr eingenommenen Querschnitt der das Führungs­ rohr haltenden Gittermasche weitgehend oder völlig versperren, um die Kühlmittelströmung aus der Umgebung des Führungsrohres zu verdrängen und in stärker beheizten Zonen umzulenken. Damit ergibt sich eine gleichmäßigere Aufwärmung des Kühlmittels über dem Brennelementquerschnitt. Ähnliche Strömungs­ leiteinrichtungen, z. B. Aufweitungen des Führungsrohres, zur Verdrängung des Kühlmittels können auch an mehreren Stellen des Führungsrohres zwischen den Abstandhaltern vorgesehen sein.

Die Efindung sucht nach einer anderen Möglichkeit, die Vergleichmäßigung der Temperatur über größere Bereiche der Länge der Führungsrohre zu erreichen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Führungsrohre als Strömungsleiteinrichtungen auf ihrer Außenseite schrauben­ linienförmig verlaufende Nuten aufweisen, die sich mindestens über den größeren Teil der enge der Führungsrohre erstrecken. Mit solchen Nuten wird die Strömung des Kühlmittels im Be­ reich der Führungsrohre mit einem Drall versehen, der das Kühlmittel durch Zentrifugalkraft von der Ober­ fläche der Fürungsrohre wegführt. Damit ergibt sich eine Vermischung mit dem Kühlmittel, das von den be­ nachbarten heißen Brennstäben erwärmt wurde, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den Quer­ schnitt des Brennelements, und zwar auf praktisch der gesamten Länge des Brennelements erreicht wird. Die Drallerzeugung verursacht dabei einen geringeren Strömungsverlust als die Abdeckung der die Führungs­ rohre umgebenden Gittermaschen in den Abstandshaltern. Dies ist ein zusätzlicher Vorteil gegenüber der Anord­ nung nach der vorgenannten deutschen Patentschrift 26 02 124.

Die Erfindung ist nicht mit den aus der Zeitschrift "Atomwirtschaft", Dezember 1967, Seiten 595 bis 601, bekannten Brennelementen für Siedewasserreaktoren zu vergleichen, bei denen zwischen den Brennstäben Wen­ deln vorgesehen sind. Bei Siedewasserreaktoren gibt es nämlich keine Führungsrohre für Brennelemente, die Bestandteil des Brennelementskeletts sind. Vielmehr werden die Steuerstäbe in Siedewasserreaktoren außer­ halb des Brennelementquerschnittes bewegt. Außerdem soll mit den bekannten Wendeln eine Vergrößerung der Wärmeabfuhr von den Brennstäben erreicht werden, um die kritische Heizflächenbelastung zu verdoppeln. Mit einer von Führungsrohren wegführenden, also die Wärme­ abfuhr dort verringernden Strömung, hat dies nichts zu tun.

Die Nuten erstrecken sich vorzugsweise kontinuierlich über die Länge der Führungsrohre. Dabei ist es günstig, wenn die Steigung der Schraubenlinien größer als der Durchmesser der Führungsrohre ist, um bei der üblichen Strömungsgeschwindigkeit von 4 m/sec eine ausreichen­ de, andererseits aber auch nicht störende Drallwirkung zu erreichen. Vorzugsweise beträgt die Steigung das 2- bis 5fache des Durchmessers der Führungsrohre. Bei üblichen Führungsrohrabmessungen von ca. 10 mm Au­ ßendurchmesser liegt das Maß der Steigung also zwi­ schen 20 und 50 mm.

Die Form der Nuten kann unterschiedlich gewählt werden. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung kann man vorteilhaft Nuten mit dreieckigem, zum Beispiel gleich­ seitigem Querschnitt vorsehen. Es ist aber auch denk­ bar, Nuten mit einem abgerundeten Nutengrund zu ver­ wenden, um die mechanischen Beanspruchungen klein zu halten.

Die Nuten können insbesondere unmittelbar benachbart angeordnet sein und die Oberfläche der Führungsrohre bedecken. Sie ergeben dann eine für die Vergleichmä­ ßigung der Temperatur gewünschte Drallwirkung bei kleinster Nutentiefe. Es ist aber nicht ausgeschlos­ sen, daß die Erfindung auch mit wenigen um den Umfang der Führungsrohre verteilten und nicht aneinander an­ grenzenden Nuten verwirklicht wird.

Vorzugsweise werden die Nuten durch spanlose Verfor­ mung hergestellt. Hierfür eignet sich das nachträg­ liche Walzen. Es ist aber auch denkbar, daß die Nuten bereits beim Ziehen nahtloser Rohre hergestellt wer­ den.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrie­ ben, das in Fig. 1 in einem Ausschnitt eines Brenn­ elementskeletts mehrere Führungsrohre in einer Seiten­ ansicht zeigt. Der Querschnitt eines Führungsrohres im größeren Maßstab ist in Fig. 2 gezeichnet.

Fig. 1 zeigt in vergrößertem Maßstab als Ausschnitt das mit 1 bezeichnete Brennelementskelett für die Brenn­ elemente eines Druckwasserreaktors zur Leistungser­ zeugung. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber nur ein Abstandshalter 2 und vier Führungsrohre 3 darge­ stellt, während die das Brennelement komplettierenden Kopf- und Fußstücke sowie die Brennstäbe nicht ge­ zeichnet sind.

Das Brennelement hat zum Beispiel einen quadratischen Querschnitt, der in seinen äußersten Abmessungen durch die aus Zirkonblech hergestellten Teile 4 des Abstands­ halters 2 bestimmt ist. Diese Teile bilden ein Gitter mit Maschen entsprechend dem Brennstabdurchmesser von ca. 10 mm. Das Brennelement umfaßt zum Beispiel 236 Brennstäbe und zum Beispiel 20 Führungsrohre an den Maschen dieses Gitters.

Die Führungsrohre 3 dienen zur Aufnahme der nicht wei­ ter dargestellten Finger von Steuerstäben, die neutro­ nenabsorbierendes Material umfassen und zur Regelung der Leistungsentwicklung im Kernreaktor in die Füh­ rungsrohre 3 eingefahren werden. Die Wärmeentwicklung in den Führungsrohren ist aber auch für den Fall, daß sie die eingefahrenen Finger der Steuerstäbe umschlie­ ßen, wesentlich kleiner als in den benachbarten Brenn­ stäben. Deshalb ist in dem in Fig. 2 in einem Querschnitt in größerem Maß­ stab gezeichneten Führungsrohr 3 die gesamte äußere Oberfläche 5 mit aneinander angrenzenden Nuten 6 ver­ sehen, die einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und sich schraubenlinienförmig mit einer Steigung vom 3,5fachen des Durchmessers über die gesamte Länge der Führungsrohre 3 erstrecken. Die Nuten sind durch Walzen hergestellt. Sie haben eine Tiefe von 0,4 mm. Dies ist die halbe Wanddicke von 0,8 mm, die das Rohr 3 bei einem Außendurchmesser von 10 mm auf­ weist.

Mit der Erfindung wird im Bereich der Führungsrohre 3 eine kontinuierliche Drallwirkung auf das das Brenn­ element der Länge nach durchströmende Kühlmittel aus­ geübt. Damit wird das im Bereich der Führungsrohre strömende und nur wenig erwärmte Kühlmittel in Mischung mit dem Kühlmittel gebracht, das von den benachbarten Brennstäben aufgeheizt wird. Man erhält damit eine Vergleichmäßigung der Temperatur, die eine Steigerung der effektiven Aufwärmspanne im Brennele­ ment ermöglicht. Gleichzeitig ist der Druckabfall im Brennelement nur unwesentlich höher als bei be­ kannten glatten Oberflächen der Führungsrohre. Gegen­ über Brennelementen mit besonderen Strömungsleitvor­ richtungen ergibt sich dagegen eine deutliche Ver­ ringerung des Strömungswiderstandes.

Claims (6)

1. Brennelement für einen Kernreaktor mit einem Brennelement­ skelett, das aus Führungsrohren für Steuerstäbe, Ab­ standshaltern, Kopf- und Fußstücken besteht und Brenn­ stäbe aufnimmt, wobei den Führungsrohren Strömungsleiteinrichtungen zur Vergleichmäßigung der Temperatur des Reaktorkühlmit­ tels über den Brennelementquerschnitt zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrohre (3) als Strömungsleiteinrichtungen auf ihrer Außenseite (5) schrau­ benlinienförmig verlaufende Nuten (6) aufweisen, die sich mindestens über den größeren Teil der Länge der Führungsrohre (3) erstrecken.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraubenlinien größer als der Durchmesser der Füh­ rungsrohre (3) ist.

3. Brennelemente nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steigung das 2- bis 5fache des Durchmessers beträgt.

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (6) einen dreieckigen Querschnitt haben.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (6) unmittelbar benachbart angeordnet sind und die Oberfläche (5) der Führungsrohre (3) bedecken.

6. Brennelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (6) durch spanlose Verformung, insbesondere durch Walzen, hergestellt sind.