DE68902757T2

DE68902757T2 - Vorrichtung zur kontrolle des kuehlmittelstromes zu einem und durch einen nuklearbrennstoffbuendel.

Info

Publication number: DE68902757T2
Application number: DE8989105105T
Authority: DE
Inventors: Olov Nylund
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: FI891428A7; KR0133072B1; SE460452B; EP0335241A1; KR890015289A; ES2035402T3; US4994234A; SE8801141D0; EP0335241B1; FI891428A0; JPH0212086A; FI95973C; FI95973B; DE68902757D1; JP2875809B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Kühlmittelstromes in einem Brennelement eines Kernreaktors des BWR-Typs (Siedewasserreaktor) oder des PWR-Typs (Druckwasserreaktor) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorgenannten Art zu entwickeln, die eine Steuerung der Verteilung des Kühlmittelstromes in den einzelnen Brennelementen sowie zwischen den verschiedenen Brennelementen in dem Reaktor ermöglicht, wobei die Steuerung auf den unterschiedlichen Abbrand der Brennstäbe anspricht, wenig störanfällig ist und mit einfachen Mitteln verwirklicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
Durch Steuerung des Kühlmittelstromes zu den Brennstäben in dem Brennelement kann der Kühlmittelstrom an den Grad des Abbrandes der Brennstäbe angepaßt werden.
Dadurch, daß der Kühlmittelstrom zu den am stärksten abgebrannten Brennelementen eines Kernreaktors gedrosselt wird, erhält man, im Falle eines unverändert bleibenden gesamten Kühlmittelstromes durch den Kern, einen größeren Kühlmittelstrom zu den weniger abgebrannten Brennelementen, die auf diese Weise stärker belastet werden.
Während der Bestrahlung erfahren die Brennstäbe in den Brennelementen ein Strahlungswachstum, welches wegen der langgestreckten Form der Brennstäbe in einer beträchtlichen linearen Ausdehnung resultiert. Das durch Bestrahlung verursachte lineare Wachstum der Brennstäbe kann verwendet werden, um eine abbrandabhängige Drosselungssteuerung des Kühlmittelstromes zu erreichen. Um die langgestreckten Brennstäbe für eine Steuerung des Kühlmittelstromes verwenden zu können, ist ein Ende der Brennstäbe so geformt, daß es mit einer gegenüberliegenden Öffnung in der oberen oder unteren Verbundplatte des Brennelementes zusammenarbeitet und auf diese Weise den Kühlmittelstrom zu den Brennstäben des Brennelementes steuert. Die Brennstäbe wachsen immer in stärkerem Maße als ein Brennstoffkasten in einem Brennelement für einen Siedewasserreaktor (BWR) und in stärkerem Maße als die Steuerstabführungsrohre eines Brennelementes für einen Druckwasserreaktor (PWR).
Alternativ können die Steuerstabführungsrohre für das Brennelement aus einem Material hergestellt werden, welches unterschiedliche spezifische Strahlungswachstumsraten aufweist. Die Steuerstabführungsrohre mit einem niedrigen Strahlungswachstum können sowohl an der oberen Verbundplatte als auch an der unteren Verbundplatte befestigt werden, während die Steuerstabführungsrohre mit einem größeren Strahlungswachstum nur an der unteren Verbundplatte befestigt werden können, aber Drosselglieder für die Auslaßöffnung in der oberen Verbundplatte tragen können. Infolge des unterschiedlichen Strahlungswachstums werden die Drosselglieder sich während des Abbrandes den Auslaßöffnungen nähern und 32 dadurch den Kühlmittelstrom durch das Brennelement drosseln.
Mit abbrandabhängigen Drosselvorrichtungen kann der Kern für eine bessere Brennstoffausnutzung geladen werden, da eine höhere Last für relativ unverbrauchten Brennstoff zugelassen werden kann. Alternativ kann der Pumpeffekt dadurch reduziert werden, daß der Kühlmittelstrom in optimaler Weise derart verteilt wird, daß ein verminderter Gesamtkühlmittelstrom zugelassen werden kann.
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 zwei Brennstäbe in einem Brennelement mit abbrandabhängiger Einlaßdrosselung,
Figuren 2 und 3 zwei Brennstäbe in einem Brennelement mit abbrandabhängiger Auslaßdrosselung,
Figuren 4 und 5 einen Brennstab mit einer abbrandabhängigen Einlaßöffnung,
Figur 6 ein Brennelement mit Steuerstabführungsrohren, die unterschiedliche spezifische Strahlungswachstumsraten haben.
Figur 1 zeigt in vereinfachter Form den Aufbau eines Brennelementes für einen BWR (Siedewasserreaktor) oder einen PWR (Druckwasserreaktor) mit einer oberen Verbundplatte 1, einer unteren Verbundplatte 2, einem Abstandshalter 3 und Brennstäben 4. In einem Brennelement kann ein Bündel aus Brennstäben mittels mehrerer Abstandshalter zusammengehalten und fixiert werden. 5 bezeichnet eine Kastenwand eines BWR-Brennelements oder ein Steuerstabführungsrohr für ein PWR-Brennelement. Die Brennstäbe 4 sind hier hängend an der oberen Verbundplattel befestigt. Eine als Bajonettverschluß ausgebildete Kupplung 6 kann jeden Brennstab mit der oberen Verbundplatte 1 verbinden. Zwischen den Befestigungen in der oberen Verbundplatte 1 befinden sich Öffnungen 7 für den Kühlmittelstrom. Auch die untere Verbundplatte 2 ist mit Öffnungen 8 für den Kühlmittelstrom versehen, die den Enden der Stäbe mit Abstand gegenüberliegen, um den Durchtritt des Kühlmittels zu ermöglichen, wie in Figur 1 gezeigt, in der die Endabschnitte der Brennstäbe durch voll ausgezogene Linien dargestellt sind. Das durch Bestrahlung verursachte lineare Wachstum der Brennstäbe bewirkt dadurch eine vom Abbrand abhängige Drosselung des Kühlmittelstromes, daß die Endabschnitte 9 der Stäbe 4 sich den Öffnungen 8 in der unteren Verbundplatte 2 nähern und schließlich in diese hineinragen. Die Endabschnitte 9 der Stäbe 4 und die entsprechenden Öffnungen 8 in der unteren Verbundplatte 2 können so geformt werden, daß sie die gewünschten Drosselcharakteristiken bewirken. Der gestrichelte Linienzug 10 für die Endabschnitte 9 zeigt, wie die Brennstäbe 4 sich infolge der Bestrahlung ausgedehnt haben und wie die konisch abgeschrägten Endabschnitte 9 der Stäbe 4 in die entsprechenden Öffnungen 8 in der unteren Verbundplatte 2 hineinragen. Die abbrandabhängige Einlaßdrosselung wird so durch die Endabschnitte 9 der Stäbe 4 in den Öffnungen 8 für das Kühlmittel in der unteren Verbundplatte 2 zustande gebracht.
Die Figuren 2 und 3 zeigen ein unverbrauchtes und ein abgebranntes PWR-Brennelement mit einer abbrandabhängigen Austrittsdrosslung. Für ein PWR-Brennelement kann es vorteilhafter sein, die Auslaßöffnungen 7 zu drosseln. Das Wasser, welches in das stromgedrosselte Brennelement hineinfließt, wird dann im oberen Teil des Brennelementes neu verteilt entsprechend dem augenblicklichen Muster des eingetretenen Längenwachstums der einzelnen Brennstäbe des Brennelementes. Dies bedeutet, daß diejenigen Brennstäbe intensiver gekühlt werden, die dies im größeren Maße nötig haben und die so stärker belastet werden können. Die Brennstäbe 4 in Figur 2 und 3 ruhen auf der unteren Verbundplatte 2 oder sind an diese angeschlossen, während ihre freien oberen Enden 11 auf die obere Verbundplatte 1 gerichtet sind. Durch geeignete Ausbildung der geometrischen Abmessungen der Enden 11 der Stäbe 4 und der Öffnungen 7 kann die Charakteristik der Drosselung beeinflußt werden. Durch eine unterschiedliche Stärke des Abbrandes der Brennstäbe oder in Abhängigkeit unterschiedlichen Materials in den Brennstäben kann eine ungleichmäßige Auslaßdrosselung durch den Abbrand erhalten werden.
Figur 2 zeigt ein neues Brennelement ohne eigentliche Auslaßdrosselung, da die oberen Enden der Stäbe den Kühlmittelstrom durch die Auslaßöffnungen nicht stören. Figur 3 zeigt ein abgebranntes Brennelement, in welchem die abgeschrägten Abschnitte 11 der oberen Enden der Stäbe mehr oder weniger tief in die Öffnungen 7 zur Drosselung des Kühlmittelstromes durch das Brennelement hineinragen. Der Kühlmittelstrom zu dem abgebrannten Brennelement wird dann teilweise von dem abgebrannten Brennelement umgelenkt zu anderen benachbarten Brennelementen mit größeren Durchflußquerschnitten, zum Beispiel solchen mit einem niedrigeren Abbrandgrad.
Die Figuren 4 und 5 zeigen das Prinzip einer Einlaßdrosselung, die sich mit zunehmendem Abbrand verkleinert. Figur 4 zeigt einen Brennstab in einem unverbrauchten Brennelement, dessen oberes Ende 12 befestigt ist. Das untere Ende 13 des Brennstabes 4 kann so ausgebildet sein, daß es im wesentlichen der Öffnung 8 entspricht. Nahe dem unteren Ende des Brennstabes 4 kann dieser mit einem abgeschrägten Abschnitt oder mit längsverlaufenen Nuten versehen sein. Infolge der linearen Ausdehnung, die durch das Strahlungswachstum eintritt, wird der Stab 4 während des Abbrandes nach unten wachsen, wie dies in Figur 5 gezeigt ist, und der abgeschrägte Abschnitt des Brennstabes 4 wird in die Öffnung 8 gelangen, wodurch eine verminderte Einlaßdrosselung stattfindet, die zu einem größeren Strömungsquerschnitt für den Kühlmittelstrom führt.
Durch Anordnung von Brennstäben in einem PWR-Brennelement derart, daß bestimmte Stäbe sich nach oben verlängern und andere sich nach unten verlängern, kann die Einlaßdrosselung in dem gleichen Maße vermindert werden, wie die Auslaßdrosselung sich vergrößert. Auf dieese Weise kann eine Neuverteilung des durchströmenden Kühlmittelstromes erreicht werden, ohne Vergrößerung des Gesamtströmungswiderstandes.
Es ist auch möglich, am Einlaß eine Umverteilung des Kühlmittelstromes durch das Brennelement dadurch zu erreichen, daß man die in der Mitte angeordneten Stäbe mit einer mit dem Abbrand zunehmenden Drosselung versieht und die am Umfang angeordneten Stäbe mit einer mit dem Abbrand abnehmenden Drosselung versieht.
Es ist auch möglich, den Kühlmittelstrom durch das Brennelement dadurch zu steuern, daß man für die Steuerstabführungsrohre Materialien mit unterschiedlichen Strahlungswachstumsraten verwendet. Figur 6 zeigt, wie ein PWR-Brennelement mit einer abbrandabhängigen Auslaßdrosselung ausgebildet wird. Eine obere Verbundplatte 1 ist mit Steuerstabführungsrohren 15 verbunden, die ein kleines spezifisches Strahlungswachstum haben (zum Beispiel spannungsfrei geglühtes Material). Ein Drosselglied 16 ist mit dem Steuerstabführungsrohr 17 mit höherem spezifischen Strahlungswachstum (zum Beispiel kaltverformtes Material) verbunden.
Unterschiedliches Strahlungswachstum kann durch unterschiedliche Herstellungsverfahren erhalten werden. Kaltverformte Rohre wachsen schneller als spannungsfrei geglühte Rohre. Figur 6 zeigt eine Auslaßdrosselung, jedoch kann eine Einlaßdrosselung in entsprechender Weise gesteuert werden. Während des Abbrandes nähert sich somit das Drosselglied der oberen Verbundplatte 1. Das Drosselglied ist so beschaffen, daß es mehr oder weniger - oder im unterschiedlichem Maße - die Öffnungen 7 für den Durchtritt des Kühimittels in der oberen Verbundplatte 1 versperrt. Das Drosselglied 16 kann aus einem Vorsprung bestehen, der an einem Steuerstabführungsrohr 17 befestigt ist, wobei der Vorsprung gegenüber der Öffnung 7 in der oberen Verbundplatte 1 positioniert sein kann und ferner mit einer Dichtung oder einem der Öffnung 7 angepaßten Drosselteil versehen sein kann. Mit dieser Art von Auslaßdrosselung ist es möglich, in PWR-Reaktoren den Kühlmittelstrom von abgebrannten Brennelementen auf unverbrauchte Brennelemente umzulenken.
In den vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung wurde angenommen, daß die Elemente 4 und 17 ein größeres Strahlungswachstum haben als die Glieder 5 und 15. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar bei einer Materialwahl für diese Glieder und Elemente, die bei den Gliedern 5 und 15 zu einem größeren Strahlungswachstum führt als bei den Elementen 4 und 17. Solche Anordnungen könnten beispielsweise ergänzt werden durch die Verwendung von Konstruktionen gemäß Figur 5 für die Brennstäbe oder durch Anordnung der Drosselglieder 16 in Figur 6 in entgegengesetzter Richtung an der oberen Seite der oberen Verbundplatte.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung des Kühlmittelstromes zu einem und durch ein Brennelement für einen Kernreaktor des BWR- Typs (Siedewasserreaktor) oder des PWR-Typs (Druckwasserreaktor), wobei zu dem Brennelement eine obere Verbundplatte (1), eine untere Verbundplatte (2), Brennstäbe (4) und Abstandshalter (3) gehören, wobei die beiden Verbundplatteen (1, 2) durch Glieder, wie zum Beispiel einer ersten Art von Steuerstabführungsrohren (15) oder einer Brennelementwand (5) verbunden sind und mit einer Vielzahl von Öffnungen (7, 8) für den Kühlmittelstrom versehen sind, und wobei zu dem Brennelement ferner langgestreckte Elemente gehören, die direkt oder indirekt von der oberen Verbundplatte (1) und/oder der unteren Verbundplatte (2) getragen werden, wie zum Beispiel Steuerstäbe (4) und/oder Steuerstabführungsrohren (17) einer zweiten Art, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente (4, 17) ein Strahlungswachstum in ihrer Längsrichtung zeigen, welches verschieden ist von dem der genannten Glieder (5, 15), und daß die genannten Elemente (4, 17) mit Drosselkörpern (9, 14, 16) versehen sind, die mit den Öffnungen (7, 8) in der oberen Verbundplatte (1) und/oder der unteren Verbundplatte (2) derart zusammenarbeiten, daß die Veränderung der relativen Lage zwischen den genannten Drosselkörpern (9, 14, 16) und den genannten Öffnungen (7, 8), die durch unterschiedlichem Strahlungswachstum der genannten Elemente (4, 17) und der Glieder (5, 11) bedingt sind, eine Änderung und/oder eine Umverteilung des Kühlmittelstromes innerhalb der einzelnen Brennelemente und/oder zwischen den Brennelementen des Kernreaktors herbeiführen

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente (4, 17) aus einem Material bestehen, welches ein größeres Strahlungswachstum hat als das Material der genannten Glieder (5, 15).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente (4, 7) aus einem Material bestehen, welches ein kleineres Strahlungswachstum hat als das Material der Glieder (5, 15).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche-, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Brennstäben (4) bestehen, wobei die Enden mindestens einiger Brennstäbe mit einem Drasselkörper versehen sind, welcher in die entsprechenden Öffnungen (7, 8) in der oberen Verbundplatte oder unteren Verbundplatte (1, 2) paßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente (4, 17) aus Steuerstabführungsrohren (17) einer zweiten Art bestehen, die Drosselglieder (16) tragen, die als Drosselkörper wirken und in Richtung der Öffnungen (7, 8) zur Drosselung des Kühlmittelstromes verschoben werden können.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Brennstäbe (4) oder Drosselglieder (16), die von den genannten Steuerstabführungsrohren (17) der zweiten Art getragen werden, nahe ihren freien Enden mit einem abgeschrägten Abschnitt (14) oder mit einem Abschnitt mit längs verlaufenden Nuten oder dergleichen versehen ist und daß die genannten Brennstäbe oder Drosselglieder in Bezug auf die Öffnungen in der zugehörigen Verbundplatte derart angeordnet sind, daß das Strahlungswachstum zu einer Verminderung der Drosselwirkung führt.