DE4310362A1 - Brennelement für einen Siedewasserkernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Siedewasserkernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Beim Betrieb eines Kernreaktors mit einem Kern, der mehrere Brennelemente der vorgenannten Art enthält, kann die Gefahr eines sogenannten Austrocknens auftreten, d. h. daß der Wasserfilm, der auf der Oberfläche jedes Brennstabes vorhan­ den ist, verschwindet oder nur noch in Form einzelner be­ grenzter Flächen vorhanden ist, was zu einer beträchtlich verschlechterten lokalen Wärmeübertragung zwischen Brennstab und dem durch das Brennelement strömenden Wasser führt. Dies wiederum hat eine stark erhöhte Wandtemperatur des Brenn­ stabes zur Folge. Die erhöhte Wandtemperatur kann zu Schäden am Brennstab führen, die ernste Konsequenzen haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die oben beschriebene Gefahr eines Aufreißens oder Verschwindens des Wasserfilms an der Außenseite der Brennstäbe bzw. eine damit verbundene Überhitzung der Brennstäbe vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen. Unter "aktive Länge" des Brennstabes wird dabei derjenige axiale Teil des Brennstabes verstanden, der Kernbrennstoff enthält.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Gefahr des Auftretens des oben beschriebenen durch das Austrocknen be­ dingten ungünstigen Geschehens beseitigt oder beträchtlich vermindert werden kann, wenn Maßnahmen getroffen werden, um die Leistungserzeugung des Brennstabes in bestimmten Abschnitten in Längsrichtung des Brennstabes ausreichend niedrig zu halten, um die Erscheinung des Austrocknens dort zu verhindern oder um eine Beschädigung des Brennstabes zu verhindern, selbst wenn ein Austrocknen dort eintreten sollte. Die Bereiche des Brennstabes, in denen die Lei­ stungsabgabe niedrig gehalten werden muß, sind gemäß der Er­ findung die Bereiche unmittelbar unter den Abstandshaltern im oberen Teil des Brennelements. In diesen Bereichen findet infolge der Behinderung des Flußes durch die Abstandshalter eine Umverteilung des Flußes statt, wodurch eine erhöhte Ge­ fahr des Verschwindens des Wasserfilms in diesen besonderen Abschnitten entsteht.

Jeder Abschnitt des Brennstabes, der so beschaffen ist, daß er eine beträchtlich geringere Leistung entwickelt, hat zweckmäßigerweise eine Länge von 2 - 10 cm und ist zweckmä­ ßigerweise so beschaffen, daß die von ihm entwickelbare Lei­ stung höchstens ein Drittel der Leistung beträgt, welche der Brennstab im Durchschnitt in den verbleibenden Abschnitten seiner aktiven Länge zu entwickeln vermag. Vorzugsweise hat dieser Teil eine Länge von 3 - 8 cm und ist so beschaffen, daß die von ihm entwickelbare Leistung höchstens ein Viertel der Leistung beträgt, welche der Brennstab im Durchschnitt in den verbleibenden Abschnitten seiner aktiven Länge zu entwickeln vermag.

Die geringere Leistungsentwicklung in den oben genannten Ab­ schnitten des Brennstabes kann durch die Verwendung eines Kernbrennstoffs in diesen Abschnitten erreicht werden, wel­ cher beispielsweise von der im übrigen Brennstab verwendeten Art ist, jedoch mit einem abbrennbaren Absorbermaterial ver­ sehen ist, wie zum Beispiel Gd₂O₃. Es kann dies unter an­ derem auch durch Verwendung eines nicht spaltbaren Materials mit geringer Neutronenabsorption erreicht werden, wie zum Beispiel Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung, wie zum Beispiel Zircaloy.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 durch ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Brennelements, welches aus vier Brennelementen gemäß der Erfindung besteht,

Fig. 2 eine Draufsicht von oben (parallel zu den Pfeilen II) auf das zusammengesetzte Brennelement in Fig. 1,

Fig. 3 einen horizontalen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Brennstab eines Brennelements in vertikalem Schnitt,

Fig. 5 den gleichen Brennstab in einem Schnitt senkrecht zur Symmetrieachse und im vergrößerten Maßstab,

Fig. 6 eine schematische Darstellung allein der vertikalen Kastenanordnung eines ganzen Brennelements mit allen Abstandshaltern im Brennelement, jedoch nur mit ei­ nem Brennelement zur Verdeutlichung der Darstellung.

In den Fig. 1 - 3 bezeichnet 1 einen Brennelementkasten mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt. Der Brennelementkasten umgibt ohne nennenswertes Spiel den obe­ ren quadratischen Teil eines Bodenteils, das eine kreisför­ mige, nach unten gerichtete Einlaßöffnung 3 für Kühlwasser und Moderatorwasser hat. Das Bodenteil 2 trägt zusätzlich zu dem Brennelementkasten 1 eine Tragplatte 4. An seinem unter­ sten Teil ist der Brennelementkasten 1 mit einem relativ dicken Wandabschnitt versehen, der an dem Bodenteil 2 und der Tragplatte 4 mittels einer Vielzahl horizontaler Bolzen befestigt ist, was durch strichpunktierte Linien 5 angedeu­ tet ist. Der Brennelementkasten 1 ist durch ein hohles Trag­ glied 7 mit kreuzförmigem Querschnitt in vier vertikale, rohrförmige Teilkanäle 6 mit mindestens im wesentlichen qua­ dratischem Querschnitt unterteilt. Das Tragglied 7 ist an die vier Wände 1a, 1b, 1c und 1d des Brennelementkastens an­ geschweißt und hat vier hohle Flügel 8. Der kreuzförmige Ka­ nal, der von dem Tragglied gebildet wird, ist mit 32 be­ zeichnet und ist an seinem unteren Ende an das Einlaßrohr 9 für Moderatorwasser angeschlossen. Jedes Teilkanal 6 enthält ein Bündel 25 aus fünfundzwanzig Brennstäben 10. Die Brenn­ stäbe sind in einem symmetrischen Gitter in fünf Reihen an­ geordnet, von denen jede fünf Stäbe enthält. Jeder Stab ge­ hört zu zwei senkrecht zueinander stehenden Reihen. Jedes Bündel ist mit einer Fußplatte 11, einer Kopfplatte 12 und einer Vielzahl von Abstandshaltern 13 versehen. Jedes Brenn­ stabbündel 25 mit Fußplatte 11, Kopfplatte 12, Abstands­ haltern 13 und einem Kastenteil 6 bildet eine Einheit, wel­ che in dieser Anmeldung als Brennelement bezeichnet wird. Die in den Fig. 1 - 3 gezeigte Einheit, die vier solcher Brennelemente umfaßt, wird als Gesamt-Brennelement bezeich­ net. Die vier Fußplatten 11 werden in dem zusammengesetzten Brennelement von der Tragplatte 4 getragen, wobei jede Fuß­ platte 11 teilweise in ein zugehöriges quadratisches Loch 14 in der Tragplatte 4 eingelassen ist. In jedem Brennelement ist zumindest ein Brennstab mit relativ langen, mit Gewinde versehenen Endzapfen 33 und 34 aus massivem Hüllmaterial versehen, wobei der untere Endzapfen 33 durch die Fußplatte 11 hindurchgeht und mit einer Mutter 15 versehen ist, und der obere Endzapfen 34 durch die Kopfplatte 12 hindurchgeht und mit einer Mutter 16 versehen ist. In der gezeigten Aus­ führungsform ist das Zentralrohr 26 in dieser Weise ausge­ bildet. Dieser Stab dient auch als Abstandshalterstab. Ein oberer Endabschnitt des Brennelementkastens 1 umgibt eine kreuzförmige Hebeplatte 17 mit vier horizontalen Armen 18, 19, 20 und 21, die von einem gemeinsamen zentralen Teil aus­ gehen. An seinem äußeren Ende ist jeder Arm mit einem pfeil­ förmigen Abschnitt 22 versehen, welcher in der zugehörigen Ecke des Brennelementkastens 1 in Kontakt mit der inneren Wand des Brennelementkastens 1 steht. Ein Hebegriff 23 ist an den Armen 20 und 21 befestigt. Die Hebeplatte 17 und der Griff 23 bilden zusammen ein Hebeglied aus Stahl, welches in einem Stück gegossen ist. Die Hebeplatte 17 ist an dem Trag­ glied 7 dadurch befestigt, daß je einer von vier vertikalen Stäben 28 in einen zugeordneten Flügel 8 des Traggliedes 7 hineinragt und an diesem festgeschweißt ist. Am oberen Ende hat jeder Stab 28 einen vertikalen bolzenartigen Abschnitt 29, der mit Spiel durch ein zugeordnetes Loch im Mittenab­ schnitt der Hebeplatte 17 verläuft und mit einer Mutter 30 versehen ist. Wie aus den Figuren hervorgeht, ist der Brenn­ elementkasten 1 mit Vertiefungen 31 versehen, die mit Ab­ stand voneinander in Längsrichtung angeordnet sind und an denen das Tragglied 7 angeschweißt ist.

Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, gehört zu jedem Brennstab 10 ein Hüllrohr 41 aus einer Zirkoniumlegierung, wie zum Beispiel Zircaloy 2. Das Hüllrohr hat eine Länge von etwa 4 m, und in seinem Inneren sind etwa 300 kreiszylindri­ sche Tabletten 42 in axialer Richtung des Rohres übereinan­ der gestapelt. Die Tabletten haben eine Höhe von 11 mm und einen Durchmesser von 8,0 mm. Mit Ausnahme derjenigen Ta­ bletten, die nahe den beiden Enden des Brennstabes liegen und die aus Natururanoxyd bestehen, und mit Ausnahme jener Tabletten, die unmittelbar unter den obersten Abstandshal­ tern angeordnet sind, bestehen die Tabletten in konventio­ neller Weise aus Urandioxyd, angereichert mit U 235. Die un­ terste Tablette ruht fest auf einem Endstopfen 43, der an das untere Ende des Stabes angeschweißt ist, und die oberste Tablette wird durch eine Spiralfeder 44 nach unten gedrückt, die durch Anlage an einem Endstopfen 45 vorgespannt ist, der am oberen Ende des Rohres angeschweißt ist. Die Tabletten sind so geschliffen, daß ein Spiel 46 zwischen der Mantel­ fläche der Tablette und der inneren Wand des Hüllrohres vor­ handen ist. Der Brennstab ist mit unter Druck stehendem He­ lium gefüllt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der zentrale Stab 26, statt als tragender Brennstab und Ab­ standshalter-Haltestab ausgebildet sein, als ein wasserge­ füllter Tragstab und/oder Abstandshalter-Haltestab ausgebil­ det sein. Gelegentlich können auch andere Stäbe in jedem Teilbündel als wassergefüllte Stäbe statt als Brennstäbe ausgebildet sein.

Das in Fig. 6 schematisch gezeigte Brennelement hat beispielhaft sechs Abstandshalter 13a - 13f. Gemäß der Er­ findung sind die Brennstäbe 10 mindestens zum größten Teil vorzugsweise jedoch alle so beschaffen, daß sie eine bedeu­ tend geringere Leistung in jenen Abschnitten 10a und 10b entwickeln, die unmittelbar unter den Abstandshaltern 13a und 13b im oberen Drittel der aktiven Länge des Brennstabes liegen, als in den übrigen Abschnitten der aktiven Länge des Brennstabes. Im Beispielsfall haben die Abschnitte 10a und 10b eine Länge von 6 cm und sind imstande, eine Leistung von ungefähr 4 kW/m abzugeben. Die Leistung, die von den übrigen Abschnitten der aktiven Länge des Brennstabes abgegeben wird, beträgt im Durchschnitt ungefähr 20 kW/m. Während die Tabletten 42 (Fig. 4) in dem Brennstab, mit Ausnahme der Abschnitte 10a und 10b im Beispielsfall, aus Urandioxyd mit einer mittleren Anreicherung von 3,5% U 235 des ursprüngli­ chen Urangewichtes im Brennstoff bestehen, besteht das Kern­ brennstoffmaterial in den Abschnitten 10a und 10b aus Uran­ dioxyd mit einer Anreicherung von 0,35% U 235. Anstelle der Verwendung eines Gemisches aus spaltbarem Material und ab­ brennbarem Absorber in den Abschnitten 10a und 10b, ist es möglich, ein Material mit niedriger Neutronenabsorption zu verwenden, wie zum Beispiel Zircaloy. Es ist jedoch vorteil­ haft, ein Gemisch der erwähnten Art zu verwenden, wobei der Gehalt an brennbarem Absorber vorzugsweise so bemessen ist, daß er nach den ersten Zyklen mit zwischenzeitlicher teil­ weiser Umladung des Reaktorkerns verbraucht ist. Das spalt­ bare Material kann dann während der verbleibenden Be­ triebsperiode voll ausgenutzt werden, bis das Brennelement aus dem Kern entfernt wird, da keine Gefahr eines Austrock­ nens nach den erwähnten ersten Zyklen besteht. Unter be­ stimmten Bedingungen kann es vorteilhaft sein, ein Material der in den Abschnitten 10a und 10b verwendeten Art auch in dem Abschnitt 10c unter dem Abstandshalters 13c anzuordnen. Der Abschnitt 10c liegt in der oberen Hälfte der aktiven Länge des Brennstabes.

Wenn die Teile 10a und 10b beziehungsweise 10a, 10b und 10c so beschaffen sind, daß sie keine oder nur sehr geringe Lei­ stung entwickeln, kann es zweckmäßig sein, zu beiden Seiten unmittelbar außerhalb dieser Abschnitte ein Kernbrennstoff­ material anzuordnen, das eine etwas kleinere Leistung ent­ wickelt als das restliche Kernbrennstoffmaterial außerhalb dieser Abschnitte. Auf diese Weise kann sichergestellt wer­ den, daß keine Leistungsspitzen am Übergang vom Kernbrenn­ stoffmaterial mit keiner oder geringer Leistung zu einem Kernbrennstoffmaterial mit einer beträchtlich höheren Lei­ stung auftreten.

Claims (5)

1. Brennelement für einen Siedewasserkernreaktor, welches eine Vielzahl von vertikalen Brennstäben (10) enthält, die zwischen einer Fußplatte (11) und einer Kopfplatte (12) in einem umgebenden Kastenteil (6) angeordnet sind und die sich durch eine Anzahl von Abstandshalter (13a-13f) erstrecken, welche in vertikaler Richtung mit Abstand voneinander ange­ ordnet sind und zusammen mit der Fußplatte und der Kopf­ platte die Brennstäbe in seitlicher Richtung auf Abstand voneinander halten, wobei zu jedem Brennstab ein Hüllrohr (41) gehört, welches Kernbrennstoff (42) enthält, und wobei das Brennelement mit einer Wassereinlaßöffnung (3) versehen ist zur Einleitung von Wasser durch die Fußplatte, zur Durchleitung durch die Zwischenräume zwischen den Brennstä­ ben in dem vertikalen Kastenteil und zur Herausleitung durch die Kopfplatte, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest der Hauptteil der Brennstäbe (10) so beschaffen ist, daß sie eine bedeutend kleinere Leistung in den Abschnitten (10a, 10b, 10c) zu entwickeln vermögen, die unmittelbar unter zumindest den Abstandshaltern (13a, 13b, 13c) liegen, die im oberen Drittel der aktiven Länge des Brennstabes angeordnet sind, als in den verbleibenden Ab­ schnitten der aktiven Länge des Brennstabes.

2. Brennelement nach Anspruch 1 dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Abschnitt (10a, 10b, 10c) des Brennstabes (10), der so beschaffen ist, daß er eine niedrigere Leistung abgibt, eine Länge von 2 - 10 cm hat.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (10a, 10b, 10c) eines Brennstabes (10), der so beschaffen ist, daß er eine niedrigere Leistung abgibt, eine Leistung abzugeben vermag, welche höchstens ein Drittel der Leistung beträgt, welche der Brennstab im Durchschnitt in den verbleibenden Abschnitten seiner aktiven Länge abzugeben vermag.

4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ab­ schnitt (10a, 10b, 10c) eines Brennstabes (10), der so be­ schaffen ist, daß er eine niedrigere Leistung abgibt, ein Kernbrennstoffmaterial enthält, welches von einem entspre­ chenden Teil des Hüllrohres (41) umgeben ist und abbrennba­ res Absorbermaterial enthält.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 - 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (10a, 10b, 10c) eines Brennstabes (10), der so beschaffen ist, daß er eine niedrigere Leistung abgibt, ein nicht spaltbares Material mit geringer Neutronenabsorption ent­ hält, welches von einem entsprechenden Teil des Hüllrohres (4) umgeben ist.