DE3515469A1 - Brennelement fuer einen wassergekuehlten kernreaktor - Google Patents

Description

• Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor
• Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor mit Brennstäben, die in einem regelmäßigen Gitterverband angeordnet sind, in dem an einzelnen Stellen brennstofffreie Stäbe sitzen, die Wasser enthalten (Wasserstäbe) und einen zylindrischen Querschnitt haben.
• Solche Wasserstäbe hat man bisher vor allem in Siedewasserreaktoren eingesetzt, weil dort das Moderationsverhältnis mit zunehmender Dampfentwicklung ungünstiger wird. Die Wasserstäbe sollen also von dem Kühlwasser über praktisch ihre ganze Länge durchströmt werden, das unten in die Stäbe eintritt und oben aus den Stäben abströmt. Die Abmessungen solcher Wasserstäbe stimmen mit den Abmessungen der Brennstäbe überein, wie die US-PS 3 802 995 zeigt.
• Bei einem anderen, aus der DE-OS 33 09 449 bekannten Brennelement für einen Siedewasserreaktor sind im Zentrum des quadratischen Brennelementquerschnitts symmetrisch angeordnete Wasserstäbe mit einem quadratischen Querschnitt angeordnet, der nur um das zum Ein- und Ausbau notwendige Spiel kleiner als der Querschnitt der Gittermaschen des Brennelementquerschnitts ist.
• Damit soll eine stärkere Änderung des Moderationsverhältnisses als bei zylindrischen Wasserstäben erreicht werden. Diese Ausbildung, die auch den Vorteil hat, daß die Kühlmittel strömung im Bereich des brennstoff- freien Stabes verringert ist, erfordert aber einen größeren Herstellungsaufwand für die quadratischen Wasserstäbe.
• Die Erfindung geht deswegen von der Aufgabe aus, eine Änderung des Moderationsverhältnisses durch Wasserstäbe zu ermöglichen, die auch ohne Verlassen der üblichen zylindrischen Stabform für hohe Brennelementleistungen gut geeignet sind, wie sie insbesondere in sogenannten Hochkonverterreaktoren auftreten.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Wasserstäbe das Wasser in einem nicht durchströmten Hohlraum enthalten und einen gegenüber den Brennstäben um mindestens 10% vergrößerten hydraulisch wirksamen Querschnitt haben.
• Bei der Erfindung ist im Gegensatz zu den bekannten Wasserstäben das Wasser nicht Teil des Kühlmittelkreislaufs und bildet somit auch keinen Bypass der Kühlmittelströmung. Zusätzlich ergibt der erfindungsgemäß gegenüber den Brennstäben vergrößerte hydraulisch wirksame Querschnitt eine Verringerung der Kühlmittelströmung im Bereich der brennstofffreien Stäbe. Damit bleibt die hohe spezifische Leistung des Brennelements in weiten Grenzen erhalten, denn die gewünschte Beeinflussung des Moderationsverhältnisses ergibt sich ohne Einbuße an Aufwärmspanne, die sonst durch einen Kühlmittel-Bypass verursacht wird.
• Die Wasserstäbe können bei der Erfindung vollständig geschlossen oder mit einer Druckausgleichsöffnung versehen sein. Wesentlich ist, daß ein Durchgang in Längsrichtung vermieden ist. Dabei können die Wasserstäbe vorteilhaft in geschlossenen Reihen angeordnet sein, um den Aufbau des Brennelements einfach zu halten. Solche Reihen liegen zweckmäßig an der Außenseite des Brennelementquerschnitts. Für Brennelemente mit einem hexagonalen Querschnitt kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn die Reihen sternförmig in der Mitte des Brennelementquerschnitts zusammentreffen.
• Im Hinblick auf eine geringe Neutronenabsorption ist es günstig, wenn die Wasserstäbe ein Zirkonrohr umfassen. Dieses Zirkonrohr begrenzt zum größten Teil den das Wasser einschließenden Hohlraum. Es kann mit weiteren Zirkonteilen, zum Beispiel aus Zirkon bestehenden Endstopfen usw., komplettiert sein, um den für die Erfindung wesentlichen geschlossenen Hohlraum zu bilden.
• Der gewünschte größere hydraulisch wirksame Querschnitt der Wasserstäbe kann in neuartiger Weise ohne Durchmesservergrößerung durch eine aufgerauhte Oberfläche mit einer Rauhtiefe von mindestens 0,1 mm erhalten werden. Dabei kann das Auf rauhen durch eine Rändelung oder mit einem Rautenmuster erfolgen, das spanabhebend aufgearbeitet oder eingewalzt wird. Es ist ferner möglich, bei Brennelementen, deren Brennstäbe durch auf dem Hüllrohr sitzenden Rippen gegeneinander distanziert sind, die Wasserstäbe mit einem Außendurchmesser auszuführen, der gleich dem Rippenaußendurchmesser ist.
• Die mit den Wasserstäben nach der Erfindung erreichte stärkere Moderierung der Brennelemente kann noch dadurch besonders günstig ausgenutzt werden, daß neben Wasserstäben Hüllrohre zur Aufnahme von Steuerstäben mit neutronenabsorbierendem Material vorgesehen sind.
• Solche Steuerstäbe können zum Beispiel auch als zwei- tes Abschaltsystem eingesetzt werden, mit dem im Notfall mit wenig Absorbermaterial eine Schnellabschaltung gelingt.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der beiliegenden Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele beschrieben, die jeweils in einem Querschnitt ein Brennelement zeigen. Die Brennelemente haben übereinstimmend einen hexagonalen Querschnitt mit einer hexagonalen Gitterteilung mit 331 Brennstabpositionen und gehören zu einem mit Wasser (H20) gekühlten Hochkonverter-Reaktor, wie er zum Beispiel in der Zeitschrift "Atomkernenergie-Kerntechnik", 1981, Seiten 128 bis 132 beschrieben ist.
• Die dargestellten Brennelemente werden mit äußeren Spanngliedern 1 zusammengehalten, die an verschiedenen, über die Länge des Brennelements versetzten Stellen vorgesehen sind. Man kann auch einen über die Länge des Brennelements reichenden Kasten verwenden. Die Spannglieder 1 drücken von außen auf die den Brennelementquerschnitt ausfüllenden Stäbe 5, die an den Kreuzungsstellen 2 der das Gitter bestimmenden, gestrichelt angedeuteten Geraden 3 und 4 liegen. Die Stäbe 5 stützen sich mit nicht dargestellten Rippen gegeneinander ab, die um den Stabumfang gleichmäßig verteilt, z.B. wendelförmig über die Stablänge von etwa 2,3 m verlaufen. Statt dessen können auch bekannte Abstandshalter verwendet werden.
• Die Stäbe 5 des Brennelementquerschnitts umfassen Brennstäbe 5A, Wasserstäbe SB, Eckstäbe 5C und offene Hüllrohre 5D als Führungsrohre für nicht weiter dargestellte Steuerstäbe mit neutronenabsorbierendem Material. Der Außendurchmesser der Stäbe beträgt 9,5 mm, die Brennstabteilung, d.h. der Abstand zwischen zwei benachbarten Brennstabmittelpunkten 10,67 mm.
• Die Brennstäbe 5A enthalten in einem Hüllrohr aus Stahl mit einer Wandstärke von ca. 0,5 mm neben Uran ca. 7% spaltbares Plutonium. Uran und Plutonium liefern durch Kernspaltung die gewünschte Wärme, die mit dem nicht weiter sichtbaren Kühlwasser aus dem Reaktorkern abgeführt wird. Wegen der geringen Moderierung entsteht in den Brennstäben 5A ferner mit einer Konversionsrate von ca. 0,92 Plutonium.
• Die Wasserstäbe 5B umfassen ein zylindrisches Hüllrohr 6 aus Zirkon mit einem Außendurchmesser von 10,67 mm, d.h. sie haben den gleichen Außendurchmesser wie die Brennstäbe 5A einschließlich der Rippen. Zusätzlich ist die Oberfläche der Zirkonrohre 6 der Wasserstäbe 5B mit einer Rauhtiefe von 0,3 mm aufgerauht. Die Zirkonrohre 6 der Wasserstäbe SB sind an mindestens einem Ende durch nicht dargestellte Stopfen dicht verschlossen, so daß ein nicht durchströmter Hohlraum 7 gebildet wird, der mit Wasser (H20) gefüllt ist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Wasserstäbe 5B in einer Reihe 10 angeordnet, die als Polygon um den Umfang des hexagonalen Brennelementquerschnitts verläuft.
• Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegen die Wasserstäbe 5B in Reihen 12, die sternförmig über den Brennelementquerschnitt verteilt sind. Zwischen den Reihen 12 sitzen die Brennstäbe 5A in Form eines gleichschenkligen Dreiecks in den Zwickeln. Hier sind 49 Wasserstäbe 5B über den Brennelementquerschnitt verteilt.
• Die für Steuerstäbe vorgesehenen Rohre 5D liegen in beiden Fällen in einem den Brennelement-Mittelpunkt umgebenden Kreis, der etwa die halbe Brennelementweite als Durchmesser hat. Der Kreis wird nach Fig. 1 von den Reihen 10 umschlossen. Nach Fig. 2 liegen die Rohre 5D auch innerhalb der Reihen 12, die den Stern bilden, und zum Teil dazwischen. Jedenfalls ist in beiden Fällen eine so innige Verkoppelung mit dem Neutronenfluß gegeben, daß das stärker moderierte Brennelement mit geringen Absorbermengen unterkritisch gemacht werden kann.
• 8 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (8)

1. Patentansri1che $ Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor mit Brennstäben, die in einem regelmäßigen Gitterverband angeordnet sind, in dem an einzelnen Stellen brennstofffreie Stäbe sitzen, die Wasser enthalten (Wasserstäbe) und einen zylindrischen Querschnitt haben, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wasserstäbe (5B) das Wasser in einem nicht durchströmten Hohlraum (7) enthalten und einen gegenüber den Brennstäben (5A) um mindestens 10% vergrößerten hydraulisch wirksamen Querschnitt haben.
2. 2. Brennelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Wasserstäbe (5B) in geschlossenen Reihen (10, 12) angeordnet sind.
3. 3. Brennelement nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Reihen (10) an der Außenseite des Brennelementquerschnitts liegen.
4. 4. Brennelement nach Anspruch 2 mit einem hexagonalen Querschnitt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Reihen (12) sternförmig in der Mitte des Brennelementquerschnitts zusammentreffen.
5. 5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wasserstäbe (5B) ein Zirkonrohr (6) umfassen.
6. 6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wasserstäbe (5B) eine aufgerauhte Oberfläche mit einer Rauhtiefe von mindestens 0,1 mm haben.
7. 7. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit Rippen zur Abstandshalterung zwischen benachbarten Brennstäben, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der Außendurchmesser der Wasserstäbe (5B) gleich dem Rippenaußendurchmesser ist.
8. 8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wasserstäbe (5B) als Hüllrohre (5D) zur Aufnahme von Steuerstäben mit neutronenabsorbierendem Material vorgesehen sind.