DE3519421C2 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Kernreaktorbrennelement ist bereits üblich. In einem Kernreaktor, z. B. Druckwasserkernreaktor, eingesetzt heizt es jedoch über seinen Querschnitt gesehen das aus Wasser bestehende Kühlmittel im Kernreaktor ungleichmäßig auf. Es bilden sich im Kernreaktorbrennelement kältere und heißere Kühlmittelströmungsfäden, so daß unter Umständen die Brennstäbe gerade an den Stellen, an denen sie am stärksten aufgeheizt und damit auch am stärksten belastet sind, nicht genügend gekühlt werden. Durch die ungenügende Wärmeabfuhr an den Brennstäben können sogenannte örtliche Siedekrisen und örtlich verstärkte Korrosion außen am Hüllrohr der Brennstäbe auftreten.

Es sind daher auch Kernreaktorbrennelemente üblich mit sogenannten Verwirbelungsfahnen, die am gitterförmigen Abstandhalter an dessen Austrittsseite für das Kühlmittel im Kernreaktor jeweils zwischen vier Maschen angeordnet und seitlich offen sind. Diese Verwirbelungsfahnen sind mit einem Ende am Abstandhalter befestigt und am anderen Ende mit einem gespreizten Längsschlitz versehen. Jede Verwirbelungsfahne lenkt das Kühlmittel um, das zwischen den vier Brennstäben strömt, die durch die vier Maschen des gitterförmigen Abstandhalters geführt sind, zwischen denen sich die betreffende Verwirbelungsfahne befindet. Zur weiteren Vergleichmäßigung der Kühlmitteltemperatur über den Querschnitt des Kernreaktorbrennelementes kann zwar durch eine Verdrillung der Verwirbelungsfahnen um ihre Längsrichtung eine Schraubenströmung des Kühlmittels ausgebildet werden, die mechanische Belastung solcher verdrillten Verwirbelungsfahnen durch die Reaktionskräfte zur Kühlmittelströmung ist jedoch so stark, daß sie zu einem Abbrechen der Verwirbelungsfahnen vom gitterförmigen Abstandhalter führen kann. Auch sind diese Verwirbelungsfahnen Ursache für einen nicht unerheblichen Druckverlust im Kühlmittel, das das Kernreaktorbrennelement im Kernreaktor durchströmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Stabilität des gitterförmigen Abstandhalters gegen Reaktionskräfte zu einer mit einem Drall versehenen Kühlmittelströmung und zugleich das Durchmischen von Kühlmittelströmungsfäden unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichen Dampfgehaltes im Kernreaktor zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Kernreaktorbrennelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Das Durchflußrohr bildet einen seitlich geschlossenen Strömungskanal für das Kühlmittel im Kernreaktor und erzeugt so einen wesentlich wirkungsvolleren Drall zur Durchmischung der Kühlmittelströmungsfäden verschiedener Temperatur als seitlich offene Verwirbelungsfahnen. Auch erhält der gitterförmige Abstandhalter durch das Durchflußrohr eine verbesserte Stabilität gegen die Reaktionskräfte zur Kühlmittelströmung, und die Abluftfahnen begünstigen die Drallbildung und Durchmischung im Kühlmittel.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht und stark schematisiert ein erfindungsgemäßes Kernreaktorbrennelement für einen Druckwasserkernreaktor.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Durchflußrohr für einen Abstandhalter des Kernreaktorbrennelementes nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Abstandhalter des Kernreaktorbrennelementes nach Fig. 1.

Fig. 4 bis 10 zeigen jeweils in Draufsicht und Seitenansicht Einzelteile aus dem Abstandhalter nach Fig. 3.

Fig. 11 zeigt ein abgewandeltes Einzelteil für den Abstandhalter nach Fig. 3.

Das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1 ist für einen Druckwasserkernreaktor bestimmt und weist zwei quadratische Halteplatten 2 und 3 aus Metall auf. Ferner sind zwei zueinander parallele Haltestäbe 4 und 5, z. B. Steuerstabführungsrohre, aus Metall erkennbar, deren Längsachsen die beiden zueinander parallelen Halteplatten 2 und 3 in einem Winkel von 90° durchdringen und die an jedem Ende jeweils an einer der beiden Halteplatten 2 und 3 festgeschraubt sind. Jeder der beiden Haltestäbe 4 und 5 ist durch eine Masche in quadratischen gitterförmigen Abstandhaltern 6 aus Metall geführt, die sich in Längsrichtung der Haltestäbe 4 und 5 gesehen zwischen den beiden Halteplatten 2 und 3 befinden und die an den Haltestäben 4 und 5 formschlüssig gehaltert sind. Durch andere Maschen der Abstandhalter 6 ist jeweils ein zu den Haltestäben 4 und 5 paralleler Brennstab 8 geführt, der im wesentlichen aus einem mit Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohr aus Metall besteht, das an beiden Enden gasdicht verschlossen ist. Die Brennstäbe 8 sind an keiner der beiden Halteplatten 2 und 3 befestigt, sondern sie sind in den Maschen der Abstandhalter 6 elastisch d. h. kraftschlüssig durch Noppen und Federn der Abstandhalter 6 gehaltert und haben zwischen den beiden Halteplatten 2 und 3 in Richtung ihrer Längsachse Spiel. Sie können sich deshalb in Richtung ihrer Längsachse d. h. in Längsrichtung des Kernreaktorbrennelementes ungehindert ausdehnen.

Das in Fig. 2 dargestellte Durchflußrohr 9 besteht ebenfalls aus Metall und hat einen quadratischen, also viereckigen Querschnitt. Es ist um seine Längsachse verdrillt und an beiden Enden offen. Die Kante der Austrittsöffnung am Austrittsende 10 des Durchflußrohres 9 weist keilförmige Absätze auf, die sich in Richtung der Längsachse des Durchflußrohres 9 derart verbreitern, daß in Verdrillrichtung des Durchflußrohres 9 gesehen immer ein schmales Keilende an ein breites anschließt.

Ferner sind an den zur Längsachse des Durchflußrohres 9 quer verlaufenden Kantenteilen der Austrittsöffnung außen Ableitfahnen 11 angeformt, die zur Rohrwand geneigt sind und sich ebenfalls in demselben Sinne wie die keilförmigen Absätze der Kante der Austrittsöffnung keilförmig verbreitern. Diese Ableitfahnen 11 leiten ein durch das Durchlaufrohr 9 hindurch geströmtes Kühlmittel, das im Durchlaufrohr 9 einen Drall erhalten hat, radial nach außen.

Ein in den Fig. 3 bis 10 näher dargestellter Abstandhalter 6 ist quadratisch und besteht aus einer Nickel- Chrom-Eisenlegierung. Es sind zwei flache, ebene Außenstege 23 und 24 zu erkennen, die hochkant rechtwinklig zueinander sind und die an den Ecken des Abstandhalters 6 eine Abrundung bilden. Der Abstandhalter 6 hat ferner Maschen 26, die sich wie die Felder eines Schachbrettes in dicht in Zeilen und in zu diesen Zeilen rechtwinkligen Spalten angeordneten Positionen befinden. Durch eine Anzahl der Maschen 26 greift jeweils ein Kernbrennstoff enthaltender Brennstab des Kernreaktorbrennelementes, zu dem die Außenstege 23 und 24 rechtwinklig sind und dem diese Außenstege 23 und 24 flach zugewandt sind. In einer Masche 26 ist in Fig. 3 gestrichelt ein solcher Brennstab 8 angedeutet, der Kernbrennstoff in einem gasdicht verschlossenen Hüllrohr aus einer Zirkoniumlegierung enthält.

Innerhalb der Außenstege 23 und 24 des Abstandhalters 6 sind, wie Fig. 4 und 5 verdeutlichen, Paare miteinander fluchtender Haupthülsen 27 und 28 mit Verbindungsstegen 29 und 30 versehen, die eine zu den Längsachsen der Haupthülsenpaare 27 und 28 parallele Richtung übergreifen. Diese Verbindungsstege 29 und 30 sind an den Haupthülsen 27 und 28 jeweils in der Mitte der Seiten eines die Außenkontur des Querschnittes der beiden Haupthülsen 27 und 28 bildenden regelmäßigen Achteckes angeformt und haben eine Breite, die etwa gleich einem Drittel der Länge der Seite dieses regelmäßigen Achteckes ist. Zwei an zueinander parallelen Seiten dieses Achteckes sitzende Verbindungsstege 29 und 30 sind in der Mitte jeweils in die gleiche Richtung gewölbt d. h. ein Verbindungssteg 29 ist in bezug auf die Haupthülsen 27 und 28 nach außen und ein Verbindungssteg 30 in bezug auf die Haupthülsen 27 und 28 nach innen gewölbt. Ferner besitzen die Haupthülsen 27 und 28 in der Mitte der Seiten der ein regelmäßiges Achteck bildenden Außenkontur ihres Querschnittes auf der Haupthülsenwand eine starre Noppe 31 bzw. 32. Die starre Noppe 31 ist nach innen gerichtet, wenn der Verbindungssteg 29 an der Seite der Außenkontur in bezug auf die Haupthülsen 27 und 28 nach außen gerichtet ist, und die starre Noppe 32 ist in bezug auf die Haupthülse 27 und 28 nach außen gerichtet, wenn der Verbindungssteg 30 in bezug auf die Haupthülsen 27 oder 28 nach innen gerichtet ist.

Im Abstandhalter 6, sind in Diagonalrichtung gesehen jeweils zwischen den Haupthülsen 27 bzw. 28 Durchflußrohre 9 entsprechend Fig. 2 angeordnet, die sich somit zwischen Eintritts- und Austrittsseite des Abstandhalters 6 für ein das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1 in einem Kernreaktor in Längsrichtung von der Halteplatte 3 zur Halteplatte 2 durchströmendes Kühlmittel befinden. Diese Durchflußrohre 9 bilden, wie auch in Fig. 2 erkennbar, an beiden Rohrenden nicht verdrillte Endbereiche, deren Außenkontur die gleiche Seitenlänge wie die ein regelmäßiges Achteck bildende Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 hat. Diese Endbereiche befinden sich, wie Fig. 6 zeigt, zwischen den Haupthülsen 27 bzw. 28 jeweils satt an einer der Seiten der Außenkontur und deren Querschnitt anliegend, die sich zwischen zwei Seiten mit Verbindungsstegen 29 bzw. 30 und Noppen 31 bzw. 32 befinden. Dort sind die Durchflußrohre 9, deren Längsachsen zu den Längsachsen der Maschen 26 parallel sind, auch mit den Haupthülsen 27 bzw. 28 verschweißt.

Die Durchflußrohre 9 können auch einen quadratischen Querschnitt haben und unverdrillt sein, sie weisen aber außen an der Austrittsöffnung Ableitfahnen 11 wie das Durchflußrohr 9 nach Fig. 2 auf.

An den Positionen der Gittermaschen 26 in einer Reihe bzw. Spalte an einem Außensteg 23 bzw. 24 sind jeweils unter Freilassung einer Zwischenposition zwischen zwei besetzten Positionen ein Paar miteinander fluchtender Bügel 35 und 36 entsprechend Fig. 7 und 8 aus U-förmigen, den Stäben in den Gittermaschen 26 flach zugewandten Stegen angeordnet. Mit ihren beiden Schenkeln stehen die Bügel 35 und 36 rechtwinklig auf der Innenseite des betreffenden Außensteges 23 oder 24 auf, den sie mit einer Zunge durchgreifen, an der sie mit dem betreffenden Außensteg 23 oder 24 verschweißt sind. Zwischen ihren beiden Schenkeln haben die Bügel 35 und 36 einen Querschnitt mit einer Außenkontur eines halben regelmäßigen Achteckes, das deckungsgleich zum die Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 bildenden regelmäßigen Achteck ist. Im Abstandhalter 6 befindet sich in jeder der beiden Diagonalrichtungen gesehen zwischen zwei Haupthülsen 27 bzw. 28 und einem Bügel 35 bzw. 36 an diesem satt anliegend jeweils ein Durchflußrohr 9 nach Fig. 2. Die Außenkontur des Querschnittes dieses Durchflußrohres 9 hat wieder eine Seitenlänge, die gleich der Seitenlänge des die Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 bildenden regelmäßigen Achteckes ist. Die Durchflußrohre 9 sind mit den Bügeln 35 bzw. 36 verschweißt. Zwischen den Anlageflächen der Durchflußrohre 9 sind die Bügel 35 bzw. 36 parallel zu demjenigen Außensteg 23 bzw. 24 geformt, an dem sie festgeschweißt sind. Dort weisen sie jeweils in der Mitte je eine starre Noppe 37 auf, die in bezug auf den Bügel 35 bzw. 36 nach innen gerichtet ist. Ferner ist dort ein Verbindungssteg 38 zwischen den beiden Bügeln 35 und 36 angeformt, dessen Breite etwa gleich ¹/₃ der Seitenlänge des die Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 bildenden regelmäßigen Achtecks ist, der in bezug auf die Bügel 35 und 36 nach außen gewölbt ist und der eine Anlagefeder für einen Stab in einer Gittermasche 26 bildet. Außerdem befinden sich an dem einen Schenkel der Bügel 35 und 36 eine in bezug auf den betreffenden Bügel nach außen gerichtete Noppe 39. An derselben Stelle ist auch ein Verbindungssteg 40 mit der gleichen Breite wie der Verbindungssteg 38 angeformt, der in bezug auf die beiden Bügel 35 und 36 nach innen gewölbt ist und der eine Anlagefeder für einen Stab in einer Gittermasche 26 bildet. Am anderen Schenkel der Bügel 35 und 36 ist eine in bezug auf diese Bügel 35 und 36 nach innen gerichtete starre Noppe 41 angebracht. An der gleichen Stelle ist ein Verbindungssteg 42 mit gleicher Breite wie der Verbindungssteg 38 zwischen den Stegen 35 und 36 angeformt, der in bezug auf die beiden Bügel 35 und 36 nach außen gewölbt ist und der ebenfalls eine Anlagefeder für einen Stab in einer Gittermasche 26 bildet.

Zwischen zwei an einer Ecke des Abstandhalters 22 rechtwinklig zueinander stoßenden Außenstegen 23 und 24 ist in einer Eckposition für die Gittermaschen 26 ein Paar miteinander fluchtender Winkelteile 43 und 44 nach den Fig. 9 und 10 mit L-förmigem Querschnitt aus den Stäben flach zugewandten Stegen angeordnet. Mit jedem ihrer beiden Schenkel stehen die Winkelteile 43 und 44 rechtwinklig auf der Innenseite eines anderen der beiden Außenstege 23 und 24 auf, den sie mit einer Zunge durchgreifen, an der sie mit dem betreffenden Außensteg verschweißt sind.

Zwischen ihren beiden Schenkeln haben die Winkelteile 43 und 44 einen Querschnitt mit einer Außenkontur, die gleich einem Viertel des regelmäßigen Achteckes ist, das die Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 ist. Im Abstandhalter 6 befindet sich zwischen zwei fluchtenden Haupthülsen 27 und 28 und zwei Winkelteilen 43 und 44 jeweils ein Durchflußrohr 9 mit einem Querschnitt, dessen Außenkontur eine Seitenlänge gleich der Seitenlänge des die Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 bildenden regelmäßigen Achteckes ist. Dieses Durchflußrohr 9 liegt satt an den Winkelteilen 43 bzw. 44 und den betreffenden Haupthülsen 27 und 28 an, mit denen es verschweißt ist. Die Stege der Winkelteile 43 und 44 sind den Stäben im Abstandhalter 6 flach zugewandt.

Beiderseits der Verbindungsstelle mit dem Durchflußrohr 9 ist an den Schenkeln der Winkelteile 43 und 44 ein Verbindungssteg 45 und 46 angeformt. Die Breite beider Verbindungsstege 45 und 46 ist etwa gleich ¹/₃ der Seitenlänge des die Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 27 und 28 darstellenden regelmäßigen Achtecks. Beide Verbindungsstege 45 und 46 sind in bezug auf die Winkelteile 43 und 44 nach außen gewölbt und bilden Anlagefedern jeweils für einen Stab in einer Gittermasche 26. An den Stellen, an denen die Verbindungsstege 45 bzw. 46 angeformt sind, haben die Schenkel der Winkelteile 34 und 44 jeweils eine in bezug auf die Winkelteile 43 und 44 nach innen gerichtete starre Noppe 47 bzw. 48. Diese beiden starren Noppen 47 und 48 gegenüberliegend sind an der Innenseite der Außenstege 23 und 24 angeformte Stege 49 und 50 vorgesehen, die in bezug auf diese Außenstege 23 und 24 nach innen gewölbt sind und Anlagefedern für einen Stab in der Gittermasche 26 in der betreffenden Ecke des Abstandhalters 22 bilden. Ähnlich sind Anlagefedern bildende, bezüglich der Außenstege 23 und 24 nach innen gewölbte Stege 60 an den Außenstegen 23 und 24 gegenüber den starren Noppen 32 und 37 an den Haupthülsen 27 und 28 bzw. an den Bügeln 35 und 36 vorgesehen, die eine zu den Längsachsen der Haupthülsenpaare 27 und 28 parallele Richtung übergreifen.

In den Gittermaschen 26 des Abstandhalters 6, die entweder durch den Innenraum der Haupthülsen 27 und 28 bzw. der Bügel 35 und 36 aus U-förmigen Stegen bzw. der Winkelteile 43 und 44 aus L-förmigen Stegen oder aus dem Zwischenraum zwischen Durchflußrohren 9 und Haupthülsen 27 und 28 bzw. Bügeln 35 und 36 mit U-förmigen Stegen bzw. Winkelteilen 43 und 44 mit L-förmigen Stegen gebildet sind, findet jeweils ein Stab zwei elastische Dreipunktlagerungen, die einem in Längsrichtung des Kernreaktorbrennelementes strömenden Kühlmittel nur einen geringen Strömungswiderstand entgegensetzen.

Wie Fig. 11 andeutet, können die der Fig. 2 entsprechenden Durchflußrohre 9 auch ausschließlich an den Haupthülsen 27 bzw. den Bügeln 35 und den Winkelteilen 43 angeschweißt sein, so daß sich diese Durchflußrohre 9 außen auf der Austrittsseite des Abstandhalters 6 für das Kühlmittel befinden, das in einem Kernreaktor das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1 in Richtung von der Halteplatte 3 zur Halteplatte 2 durchströmt.

Die in Fig. 11 angedeuteten Durchflußrohre 9 können auch einen quadratischen Querschnitt haben und unverdrillt sein, sie weisen aber trotzdem außen an der Austrittsöffnung Ableitfahnen 11 wie das Durchflußrohr 9 nach Fig. 2 auf.

Claims (3)

1. Kernreaktorbrennelement mit zwei Halteplatten (2; 3) zwischen denen sich Kernbrennstoff enthaltende, zueinander parallele, nebeneinander angeordnete Brennstäbe (8) und ein gitterförmiger Abstandhalter (6) für diese Brennstäbe (8) befinden, der Maschen mit zueinander und zu den Brennstäben (8) parallelen Längsachsen aufweist, durch die jeweils einer der Brennstäbe (8) oder ein Haltestab (4; 5) für die beiden Halteplatten (2; 3) geführt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß am Abstandhalter (6) an einer zwischen mindestens zwei, vorzugsweise vier Maschen (26) befindlichen Position ein Durchflußrohr (9) für ein im wesentlichen in Richtung der Längsachsen der Maschen (26) strömendes Kühlmittel mit zu diesen Längsachsen paralleler Längsachse angebracht ist, durch das weder ein Brennstab noch ein Haltestab geführt ist und das einen mehreckigen Querschnitt hat, und
daß das Durchflußrohr (9) an seiner Austrittsöffnung für das Kühlmittel außen zur Rohrwand geneigte Ableitfahnen (11) für das Kühlmittel aufweist und/oder um seine Längsachse verdrillt ist.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußrohr (9) zwischen Eintritts- und Austrittsseite des Abtandhalters (26) für das Kühlmittel angeordnet ist.

3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußrohr (9) außen auf der Austrittsseite des Abstandhalters (26) für das Kühlmittel angeordnet ist.