DE3543227A1 - Gasgekuehlter kernreaktor - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft Brennstoffanordnungen oder Brennelementbündel für gasgekühlte Kernreaktoren, in welchen der Brennstoff in Form von Brennstoffelementen, z.B. Pellets aus Urandioxid, die in rohrförmige Brennstoffhülsen aus rostfreiem Stahl eingeschlossen sind, zu Gruppen zusammengefaßt sind, von denen jede in eine Graphithülse eingeschlossen ist, wobei die Hülsen Ende an Ende zusammengekoppelt sind, um den Brennstoff tragenden Teil des Brennelementbündels zu bilden.

Es ist bekannt, gasgekühlte Reaktoren dieser Art unter Last nachzuladen, d.h., eine verbrauchte Brennstoffanordnung wird aus dem Reaktor entnommen, worauf die Einführung einer Ersatz-Brennstoff anordnung erfolgt, während der Reaktor fortfährt, Leistung zu erzeugen.

Ein Problem, das beim Nachladen unter Last auftritt, ist die Querschwingung des aufgehängten Brennelementbündels während seiner Entfernung oder Einführung; eine solche Schwingung wird durch die Strömung des hochdichten gasförmigen

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Kühlmittels durch den Ringspalt zwischen dem Brennelementbündel und jenem Kanal induziert, in welchem das Brennelementbündel im Betrieb aufgenommen ist. Als Hauptquelle für eine solche Schwingung wurde jener Abschnitt des Kanals mit verringertem Durchmesser nachgewiesen, der als Kolbendichtungsbohrung bekannt ist. Wenn das Brennelementbündel seine Lage innerhalb des Kerns einnimmt, dann greifen Kolbenringdichtungen am Brennelementbündel in die Dichtungsbohrung ein, um eine Kühlmittelströmung im Ringspalt nach unten zu lenken, wo sie mit der aufwärts gerichteten Kühlmittelströmung durch die Mitte des Brennelementbündels zusammentrifft. Wenn das Brennelementbündel aus seiner untersten Lage im Kern angehoben wird, dann findet eine Kühlmittelströmung durch den Spalt der Dichtungsbohrung statt.

Ein Versuch zur Lösung des Problems ist in der GB-OS 2 114 offenbart, wobei Nuten in der äußeren Umfangsflache der Graphithülsen ausgebildet sind. Eine andere Lösung ist offenbart in der GB-OS 2 120 448A, wonach der Reaktoraufbau dadurch abgewandelt wird, daß man eine perforierte Metallage oberhalb der Dichtungsbohrung aufnimmt. Von diesen beiden Lösungen ist die erste bevorzugt, weil sie keine Abänderung des Reaktors selbst nach sich zieht.

In der GB-OS 2 114 359 ist die offenbarte Form der Nuten zur Auslösung von Wirbeln geeignet und ist deshalb dann angemessen, wenn die strömungsinduzierten Schwingungen vorherrschend der Wirbelablösung zuzurechnen sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß auch ein anderer Instabilitätsmechanismus auftreten kann, und zwar besonders dann, wenn die Dichtungsbohrung an ihrer stromabwärts gelegenen Seite (in Richtung der Kühlmittelströmung betrachtet, wenn die Dichtung während des Nachladens unterbrochen ist) auf den stromabwärts gelegenen Teil des Kanals mittels eines kleinen Konuswinkels, beispielsweise in der Größenordnung von 6°, trifft. Der letztgenannte Instabilitätsmechanismus scheint ein Strömungsmittel-Elasti-

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zitätseffekt zu sein, wenn das Kühlmittel über die Dichtungsbohrung hinweg und in den stromabwärts gelegenen Kanal mit größerem Durchmesser strömt.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennelementbündel-Ausbildung vorzusehen, welche für die strömungsmittelelastische Form der Instabilität geeignet ist.

Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist in einem Brennelementbündel oder für ein solches bei einem gasgekühlten Kernreaktor eine Graphithülse vorgesehen, die an ihrer Außenfläche über mindestens einen größeren Teil bzw. Hauptteil ihrer Länge (und bevorzugt im wesentlichen über ihre Gesamtlänge) ein Steg-/Nut-Profil aufweist, um eine Reihe enger Stegausbildungen zu bilden, welche durch breitere Nutausbildungen im Abstand voneinander getrennt sind, um den Widerstand gegenüber einer Strömungsmittelströmung zu erhöhen, die während des Auswechselns eines Brennelements durch die Dichtungsbohrung hindurchtritt.

Obwohl dies zu einer Verringerung in der Schwingung führt, gibt die resultierende Änderung im Widerstand für den Kühlmittelstrom Anlaß zur Möglichkeit des Aufheizens des Graphitmoderators des Reaktorkerns, was wiederum dazu führen kann, die Betriebs lebensdauer des Moderators zu verringern.

Dementsprechend zieht die vorliegende Erfindung eine Graphithülse mit einem Steg-/Nut-Profil an ihrer Außenfläche über mindestens einen Hauptteil seiner Länge in Betracht, wobei die Steg-/Nut-Ausbildungen so angeordnet sind, daß ihre Längenabmessungen eine Komponente der Erstreckung in Längsrichtung der Hülse aufweisen.

In einem Extremfall wird darauf abgezielt, daß die Stege und Nuten, die sich insgesamt parallel zur Achse der Hülse erstrecken. Durch Anordnung der Steg- und Nut-Ausbildungen auf

eine solche Weise, daß sich ihre Längen vorherrschend axial zur Hülse erstrecken, kann der axiale Widerstand gegenüber der Kühlmittelströmung kleiner sein als in jenem Fall, in welchem sich die Steg- und Nut-Ausbildungen in Umfangsrichtung erstrecken. Außerdem kann der Widerstand gegenüber einer Umfangsströmung des Kühlmittels rund um die Hülse erhöht werden; dies ist ein Faktor, der als relevant für die Verringerung von Schwingungen angesehen wird, weil die Schwingungsquelle dem Anschein nach von dem übergang des Kühlmittels von der einen Seite der Hülse zur anderen und umgekehrt abstammt.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Graphithülse mit einem Steg-/Nut-Profil an seiner Außenfläche dadurch gekennzeichnet, daß die Steg-Anordnung von den Schraubengängen mindestens eines Steges gebildet ist, der sich wendelförmig rund um die Hülse erstreckt. Wo mehr als ein sich wendelförmig erstreckender Steg bzw. eine solche Hülse verwendet wird, sind die Stege mehrgängig bzw. mehrfach anlaufend ausgebildet. Der Steigungswinkel der Wendelanordnung der Stege liegt bevorzugt zwischen 30° und 60° in Bezug auf eine Radialebene. Er wird in typischer Weise in der Größenordnung von 45° liegen.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Graphithülse mit einem Steg-/Nut-Profil an ihrer Außenfläche dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steg-Anordnung allgemein wendelförmig rund um die Hülse erstreckt und mindestens zwei Abschnitte aufweist, in welchen die Steg-Anordnung und die Nut-Anordnung gegensinnig wirbelnde Strömungen um die Hülse erzeugt.

Bei diesem Gesichtspunkt der Erfindung sind die Abschnitte bevorzugt axial in Bezug auf die Längsachse der Hülse aufeinanderfolgend, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Steg-Anordnungen axial benachbarter Abschnitte sich wendelförmig und gegensinnig rund um die Hülse erstrecken. Es können

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der bequemeren Herstellung halber zwei Abschnitte vorliegen, und die Steg-Anordnung kann dadurch gebildet sein, daß man sich wendelförmig erstreckende Nuten mehrgängig schneidet, wobei ein Abschnitt vom einen Ende der Hülse zur Mitte der Hülse und der zweite Abschnitt vom entgegengesetzten Ende der Hülse her und auf eine solche Weise geschnitten wird, daß sich seine Steg-Anordnung gegensinnig zu jener des ersten Abschnitts erstreckt.

Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weist eine Graphithülse mit einem Steg-/Nut-Profil an ihrer Außenfläche eine solche Steg-/Nut-Ausbildung auf, daß der Widerstand gegenüber der Kühlmittelströmung längs der Außenseite der Hülse in der einen Richtung geringer ist als in der Gegenrichtung.

Die Steg-/Nut-Ausbildung ist im Profilquerschnitt bevorzugt asymmetrisch, so daß gegenüber der Strömung in der genannten einen Richtung ein kleinerer Widerstand geboten wird. Somit kann bei der Verwendung die Hülse so angeordnet sein, daß der Weg mit dem verringerten Strömungswiderstand der Richtung der Kühlmittelströmung entspricht, wenn das Brennelementbündel sich in seiner Endlage im Reaktor befindet.

Die Asymmetrie der Steg-/Nut-Ausbildung kann so sein, daß die Nut-Ausbildungen sanft bzw. glatt in eine Flanke der Steg-Ausbildungen übergehen, aber die gegenüberliegende Flanke der Steg-Ausbildungen an einer Unstetigkeitsstelle treffen. Die Steg-Ausbildungen können mit der einen Flanke weniger steil geneigt sein als mit der gegenüberliegenden Flanke.

Bevorzugt liegt das Verhältnis der Steghöhe zur Ringkanalbreite in der Größenordnung von 0,06 bis 0,13.

Der senkrechte Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Steg-Ausbildungen ist bevorzugt mindestens mehrfach größer als die

Steghöhe, und zwar bevorzugt 5- bis 10-mal größer und am meisten bevorzugt in der Größenordnung von 6- bis 7-mal größer. Das Verhältnis der Stegbreite zur Steghöhe liegt bevorzugt in der Größenordnung von 0,5 bis 2.

Verschiedenartige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht ist, die die normale Anordnung eines Brennelementbündels bzw. einer Brennelementeinheit in der Lage im Kern zeigt,

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 ist, aber dasBrennelementbündel zeigt, wie es zurückgezogen oder in den Reaktorkanal eingeführt wird,

Fig. 3 eine vergrößerte, teilweise geschnittene schematische Ansicht des Dichtungsbohrungsabschnitts des Kanals ist,

Fig. 4 eine axiale Teilansicht des Außenprofils der Graphithülse in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung ist, und

Fig. 5 bis 8 Alternativformen der Steg-/Nut-Anordnungen darstellen.

Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen; der Brennstoffkanal des Reaktors für das Brennelementbündel 10 bzw. die Brennelementeinheit ist von einem Kanal 12 mit rundem Querschnitt im Moderatoraufbau 14 und einem Führungsrohr 16 gebildet. Das Führungsrohr 16 weist eine Dichtungsbohrung 18 (in Fig. 3 vergrößert gezeigt) auf, und Kolbenringe 20 am Brenn-

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elementbündel 10 stellen den dichtenden Eingriff mit der Bohrung 18 her, wenn sich das Brennelementbündel in seiner normalen Lage im Kern befindet, wie in Fig. 1 gezeigt. In dieser Lage sperren die Kolbenringe die aufwärts gerichtete Kühlmittelströmung durch den Ringspalt 22 zwischen der Dichtungsbohrung 18 und dem Brennelementbündel. Somit werden Kühlmittelströme (durch Pfeile 24 bezeichent) durch den Moderatoraufbau gezwungen, den Hauptkühlmittelstrom (Pfeil 26) durch die Mitte des Brennelementbündels zu treffen.

Wenn, wie in Fig. 2, das Brennelementbündel von seiner normalen Lage im Kern entfernt wird, dann ist die Dichtung unterbrochen und das hochdichte CO~-Kühlmittelgas kann hinter die Dichtungsbohrung strömen, wie durch einen Pfeil 28 gezeigt. Unter diesen Umständen kann eine strömungsinduzierte Schwingung des Brennelementbündels stattfinden, und es hat sich herausgestellt, daß der vorherrschende Instabilitätsmechanismus vom sich verjüngenden bzw. konischen Abschnitt 30 stromabwärts von der Dichtungsbohrung abhängt. Wenn der Konuswinkel in der Größenordnung von 30° gegenüber der Vertikalen liegt, dann ist der Instabilitätsmechanismus in weitem Umfang der Wirbelbildung zugeordnet, und wo der Winkel schmaler ist, z.B. 6°, ist er hauptsächlich auf den bereits vorher erwähnten Strömungsmittel-Elastizitätseffekt zurückzuführen. Im allgemeinen können beide Instabilitätsmechanismen bei sowohl dem Winkel von 6° als auch jenem von 30° vorliegen, aber es hat sich herausgestellt, daß ein unterschiedlicher vorherrscht.

Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 gezeigt, ist jede Graphithülse 31 mit einem Steg-/Nut-Profil an ihrer Außenfläche ausgebildet, wobei die Steg-Ausbildungen 32 in ihrer axialen Breite eng sind und einen Axialabstand aufweisen, der ein Mehrfaches ihrer Höhe, vorzugsweise das 6- oder 7-fache ihrer Höhe, beträgt. Es hat sich herausgestellt, daß eine solche Anordnung beträchtlich die Schwingung des Brennelementbündels , die von dem Strömungsmittel-Elastizitätseffekt herrührt, ver-

ringert. Die Stege werden auch das Ablösen der Wirbel erleichtern und können deshalb auch jenem Instabilitätsmechanismus entgegenwirken, der der Wirbelbildung zugeordnet ist. In typischer Weise liegt das Verhältnis der Rippenhöhe zur Ringkanalbreite (d.h. zwischen der Hülse und der Dichtungsbohrung) im Bereich von 0,06 bis 0,13. Das Verhältnis der Rippenbreite (an ihrer höchsten Erhebung) zur Rippenhöhe liegt typischerweise bei 0,5 bis 2.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 (diese ist die Teilansicht eines Radialschnitts) weist das Steg-/Nut-Profil sich in Längsrichtung erstreckende Rippenbildungen 32 auf, deren Breite wiederum schmal ist, verglichen mit der Breite der Nut-Ausbildungen.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 weist das Steg-/Nut-Profil eine Anzahl kontinuierlicher schmaler Rippen 32 auf, die sich mehrgängig und wendelförmig rund um die Hülse erstrecken und durch einen senkrechten Abstand getrennt sind, der das Mehrfache der Steghöhe beträgt, und zwar bevorzugt 6- bis 7-mal größer ist.

Die wendeiförmige Anordnung der Stege liefert den Vorteil, der Axialströmung des Kühlmittels einen geringeren Widerstand zu bieten, verglichen mit Umfangsstegen, und der Fertigung eher zugänglich zu sein, da eine durchgehende Steg-/Nut-Ausbildung bequemer zu schneiden ist als eine große Anzahl von Umfangs- oder Längsstegen bzw. -nuten.

Die Steg-Ausbildung bei diesem und den anderen Ausführungsbeispielen kann nahe dem oberen Ende der Hülse durch eine Umfangsnut 35 unterbrochen sein, um die Handhabung der Hülse zu erleichtern.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 wird auch eine wendeiförmige Steg-Ausbildung verwendet, doch die Steg-Ausbildung ist

in diesem Fall in zwei Abschnitten 40, 42 angeordnet, in welchen die Steg-/Nut-Ausbildungen des Abschnitts 40 sich in der Gegenrichtung zu jenen des Abschnitts 42 erstrecken, so daß das Kühlmittel veranlaßt wird, um jede Hülse gegensinnig über die Abschnitte 40, 42 zu wirbeln, wobei die Hülse entgegengesetzt wirkenden Drehmomenten ausgesetzt ist, welche danach trachten, einander aufzuheben.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 ist jede Graphithülse

31 mit einem asymmetrischen Steg-/Nut-Profil an ihrer Außenfläche ausgebildet. Die Steg-Ausbildungen 32 können sich in Umfangsrichtung um die Hülse erstrecken, es erstrecken sich die Steg-Ausbildungen jedoch bevorzugt, wie in Fig. 6 oder 7, wendelförmig um die Hülse und werden durch Umläufe einer Anzahl durchgehender, sich wendelförmig erstreckender Stege gebildet, die mehrgängig angeordnet sind.

Wie aus der Fig. 8 ersichtlich ist, trifft die Axialströmung des Kühlmittels in der Richtung B auf keinerlei Ünstetigkeitsstellen an der Außenfläche der Hülse, da die Steg-Ausbildungen

32 und die Nut-Ausbildungen 33 längs einer Flanke der Steg-Ausbildungen ineinander so übergehen, daß eine glatte Strömungs fläche vorgesehen ist, wobei die eine Flanke eine nur flache Neigung aufweist. Im Gegensatz hierzu wird die Kühlmittelströmung in der Gegenrichtung A auf die ünstetigkeitsstellen 34 auftreffen, die an den steiler geneigten gegenüberliegenden Flanken der Steg-Ausbildungen vorliegen, was zu einem wesentlichen Strömungswiderstand in dieser Richtung führt (welche der Kühlmittelströmungsrichtung in dem Ringspalt 22 entspricht, wenn das Brennelementbündel von seiner voll eingebauten Lage entfernt angeordnet ist).

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Claims (14)

1. Patentansprüche

   (1/. Graphithülse für ein Brennelementbündel eines gasgekühlten Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse (31) an ihrer Außenfläche über mindestens einen größeren Teil ihrer Länge ein Steg~/Nut-Profil (32, 34) aufweist, um eine Reihe enger Steg-Ausbildungen (32) zu bilden, die durch breitere Nut-Ausbildungen (34) voneinander getrennt sind.
2. 2. Hülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steg- und Nut-Ausbildungen (32, 34) so angeordnet sind, daß ihre Längenabmessungen eine Erstreckungskomponente in Längsrichtung der Hülse (31) aufweisen.

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3. 3. Hülse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steg-Ausbildungen (32) von Windungen mindestens eines Steges (32) gebildet sind, der sich wendelförmig um die Hülse (31) erstreckt.
4. 4. Hülse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Stege (32) mehrgängig angeordnet sind.
5. 5. Hülse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel der wendeiförmigen Stege (32) zwischen 30° und 60° liegt.
6. 6. Hülse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel der wendeiförmigen Stege (32) etwa 45° beträgt.
7. 7. Hülse nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die wendeiförmige Steg-Anordnung (32) mindestens zwei Abschnitte (40, 42) aufweist, in welchen die Steg-Anordnung (32) und die Nut-Anordnung (34) gegensinnige Wirbelströme an Kühlmittel rund um die Hülse (31) erzeugt.
8. 8. Hülse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (40,42) axial in Bezug auf die Längsachse der Hülse (31) aufeinanderfolgen.
9. 9. Hülse nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Steg-/Nut-Ausbildung (32, 34) so getroffen ist, daß der Widerstand gegenüber der Kühlmittelströmung längs der Außenseite der Hülse (31) in der einen Richtung kleiner ist als in der Gegenrichtung.
10. 10. Hülse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steg-/Nut-Ausbildung (32, 34) im Querschnitts-

    profil asymmetrisch ist, so daß der Strömung in der genannten einen Richtung ein geringerer Widerstand geboten wird.
11. 11. Hülse nach jedem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß der senkrechte Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Steg-Ausbildungen (32) zwischen 5- und 10-mal größer ist als die Rippenhöhe, und zwar vorzugsweise 6- und 7-mal größer als die Rippenhöhe, und daß das Verhältnis der Rippenbreite zur Rippenhöhe in der Größenordnung von 0,5 bis 2 liegt.
12. 12. Brennelementbündel für einen gasgekühlten Kernreaktor mit mehreren Hülsen, die endweise zusammengekoppelt sind und jeweils eine Anzahl von Brennelementstäben enthalten, dadurch gekennzeichnet , daß jede Hülse (31) einen Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
13. 13. Gasgekühlter Kernreaktor, gekennz e ichne t durch mindestens ein Brennelementbündel (10) nach Anspruch 12, das in einem Kühlmittel leitenden Kanal aufgenommen ist, der eine Dichtungsbohrung (18) aufweist, welche in Eingriff mit Dichtungen am Brennelementbündel (10) steht, wenn sich dieses innerhalb des Reaktorkerns in seiner Endlage befindet.
14. 14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Bezug auf den Ringkanal, der zwischen dem Brennelementbündel (10) und der Dichtungsbohrung (18) gebildet ist, das Verhältnis der Höhe der Stege (32) zur Breite des Ringkanals in der Größenordnung von 0,06 bis 0,13 liegt.