DE69010842T2

DE69010842T2 - Kernbrennstoffbündel für einen Siedewasserreaktor.

Info

Publication number: DE69010842T2
Application number: DE69010842T
Authority: DE
Inventors: Olof Hembjer; Ragnar Mansson; Olov Nylund
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2010-11-14
Also published as: DE69010842D1; SE8903815L; EP0428982B1; EP0428982A1; ES2060898T3; US5096660A; SE464993B; JPH03185395A; FI905620A0; SE8903815D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Abstandshalter in einem Brennelement sind mit einem gewissen gegenseitigen Abstand längs des Brennstabbündels angeordnet. Ein Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, kann von unten nach oben durch das normalerweise senkrecht angeordnete Brennelement fließen, um während der Kernreaktion die im Brennelement angeordneten Brennstäbe zu kühlen.
In einem Siedewasserreaktor nimmt die Dampfbildung in dem Brennelement zum oberen Ende des Brennelements hin mehr und mehr zu. Dies wird deutlich aus Figur 1, die in groben Zügen einen Teil eines vertikalen Querschnitts eines bekannten Brennelements zeigt. In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Brennstäbe und das Bezugszeichen 2 die Zwischenräume zwischen den Stäben. Diese Zwischenräume 2 befinden sich im unteren Teil des Brennelements, welcher dem unteren Teil des Reaktors entspricht, der mit Kühlmittel, im vorliegenden Fall mit Wasser, gefüllt ist. Weiter oben im Brennelement bilden sich Dampfblasen 3 im Wasser, welches noch weiter oben im Bereich 4 in Wasserdampfübergeht. Solange ein sogenanntes Austrocknen nicht stattfindet, ist jedoch stets ein Film 5 aus Kühlwasser an den Brennstäben vorhanden. Es ist wichtig, daß dieser Film 5 an allen Stellen der Stäbe 1 erhalten bleibt. Wenn er in einem Punkt durch Austrocknen verschwindet, so wird es schnell zu einem ernsthaften Schaden an diesem Punkt des Brennstabes 1 kommen.
Die Wand 6 des Brennelements ist normalerweise ebenfalls mit einem Wasserfilm 5 überzogen. Dieser Film 5 ist jedoch nicht vollständig notwendig, da die Wand 6 des Brennelements wesentlich weniger empfindlich gegen Überhitzung ist als es die Brennstäbe sind. Es wurde versucht, diesen Umstand in bekannten Konstruktionen auszunutzen, wie zum Beispiel in der US-A-4 749 543, Spalte 8 und Figur 9. In diesen Konstruktionen wird das an der Wand 6 des Brennelements entlang fließende Kühlwasser mittels Erhöhungen an der Wand 6 oder mittels Vertiefungen in derselben zum Zentrum des Bündels hin umgelenkt. Auch Rippen an der stromabwärts liegenden Seite der Abstandshalter werden verwendet, um eine Umlenkung oder Ablenkung des Kühlwassers zu erreichen. Alle diese Ausführungsformen haben bestimmte Nachteile. So vergrößern beispielsweise die Erhöhungen den Druckverlust im Kühlwasser und reduzieren somit die Kühlwirkung, während Vertiefungen in der Wand zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führen. Ferner sollte eine Umlenkung des an der Wand 6 des Brennelements entlang fließenden Kühlwassers so dicht wie möglich bei jedem einzelnen Abstandshalter stattfinden. Wenn jedoch die Umlenkungsvorrichtungen nicht den gesamten Abstand zwischen benachbarten Abstandshaltern überdecken, dann sollten die Umlenkungsvorrichtungen vorzugsweise so dicht wie möglich bei dem stromabwärts (oberen) Abstandshalter liegen, wobei der Bereich unmittelbar hinter dem Abstandshalter, gesehenen in Strömungsrichtung, unerfaßt bleibt. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Austrocknungen normalerweise unmittelbar stromaufwärts eines Abstandshalter oder eventuell in demselben auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem die beschriebene Umlenkung des Kühlmittels in einfacher Weise erreicht wird, und zwar ohne den Strömungswiderstand in dem Brennstoffkasten wesentlich zu vergrößern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen genannt.
Gemäß der Erfindung ist im oberen Teil des Brennelements zumindest zwischen einem Paar von Abstandshaltern eine aus einem Blech geformte Hülse um das Brennstabbündel herum angeordnet. Die Hülse hat eine äußere Form, die sich dicht den Wänden des Brennelementkastens anpaßt, und das Blech ist mit einer großen Anzahl von Öffnungen perforiert, um den von dem Blech verursachten Strömungswiderstand kleinzuhalten. Das Verhältnis der Blechfläche, die von den genannten Öffnungen eingenommen wird, zu der Blechfläche, die von dem verbleibenden Blechmaterial eingenommen wird, beträgt mindestens 1:1.
Durch die oben genannte Hülse wird eine verbesserte Kühlung des Bündels in einer relativ einfachen Weise dadurch erreicht, daß der Kühlmittelfilm längs der Wand des Brennelements von der Wand abgeschabt wird und zum Zentrum des Bündels hin umgelenkt wird. Da die Hülse mit einer großen Anzahl von Öffnungen perforiert ist, wird zur gleichen Zeit verhindert, daß die Hülse eine beträchtliche Vergrößerung des Druckverlustes in dem durch das Brennelement strömende Kühlmittel verursacht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es beim Zusammenbau des Bündels einfach ist, eine oder mehrere Hülsen auf dem Bündel anzubringen. Die Hülsen werden von den Abstandshaltern in ihrer Lage gehalten.
Um den Strömungswiderstand der Hülse weiter zu reduzieren, kann dem Hülsenblech durch Stanzen eine netz-ähnliche Struktur verliehen werden. Die Maschen dieser netz-ähnlichen Struktur haben vorteilhafterweise eine rhombische Gestalt, wobei die längere Diagonale in Längsrichtung (vertikal) des Brennstabbündels orientiert ist. Hierdurch wird der Strömungswiderstand der Hülse weiter reduziert, da das Kühlmittel auf seinem Weg nach oben durch die Hülse im wesentlichen nur auf Hülsenkanten trifft, die schräg zur Hauptströmungsrichtung verlaufen.
Um die Einführung des Bündels mit der oder den darauf angebrachten Hülse/Hülsen zu erleichtern, ist jede entsprechende Hülse an ihrem unteren Ende mit Führungskanten versehen, die dadurch hergestellt werden, daß die untere Kante der Hülse etwas nach innen zum Zentrum des Bündels abgebogen wird.
Da die Hülse keiner größeren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, kann sie vorteilhafterweise aus Zirkaloy bestehen, welches eine geringe Neutronenabsorption hat.
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 Teil eines vertikalen Querschnittes eines bekannten Brennelements zur Darstellung des oben erläuterten Phänomens, mit dem sich die Erfindung befaßt,
Figur 2 ein Brennelement für vier separate Brennstabbündel in vertikalem Querschnitt,
Figur 3 einen horizontalen Querschnitt durch das in Figur 2 gezeigte Brennelement,
Figur 4 ein bei der Erfindung verwendetes Hülsenblech im abgewickelten Zustand, dem durch Ausstanzung eine netz-ähnliche Struktur verliehen worden ist,
Figuren 5 und 6 das gleiche Blech wie in Figur 4 in einem zur Hülse gefalteten Zustand mit einem Querschnitt gemäß Figur 6.
Figur 2 zeigt ein Brennelement 7 in Gestalt eines langgestreckten Kastens, der verschiedene Ecken und eine Wand 6 hat. In dem Brennelement sind Abstandshalter 8 und 9 bekannter Art angeordnet. Jeder Abstandshalter hält ein Teilbündel von Brennstäben 1 zusammen. Zwischen den Abstandshalter 8 und 9 ist eine Hülse 10 gemäß der Erfindung um das Teilbündel herum angeordnet. Die Hülse 10 kann solche Abmessungen haben, daß sie in die gezeigten Teilkästen des Brennelements 7 paßt. Dieselbe Anordnung kann natürlich auch dort verwendet werden, wo das Brennelement 7 beispielsweise nur ein einziges Bündel enthält und somit nicht in vier Abschnitte unterteilt ist, wie das in den Figuren 2 und 3 gezeigte Brennelement. Die Hülse 10 kann solche Abmessungen haben, daß sie sich im eingeführten Zustand des Bündels der Wand 6 des Brennelements 7 dicht anpaßt, und in dem Fall, daß das Brennelement 7 mittels innerer Wände 11 in Abschnitte unterteilt ist, sich auch diesen inneren Wänden 11 anpaßt. Im übrigen umgibt die Hülse 10 das Brennstabbündel ziemlich lose und wird an seinem Boden - im gezeigten Fall - vom Abstandshalter 8 getragen. Die untere Kante der Hülse 10 ist etwas nach innen gebogen (Figur 5), um eine Führung in das Brennelement 7 zu erhalten.
Figur 4 zeigt die Hülse 10 im abgewickelten Zustand und mit einer durch Ausstanzen erzielten netz-ähnlichen Struktur. Die verwendete Hülse besteht zweckmäßigerweise aus Zirkaloy und hat eine Dicke von 0,8 mm. Die viereckigen Naschen des Netzes haben eine rhombische Gestalt, wobei die längere Diagonale so angenordnet ist, daß sie mit der Längsachse des Brennstabbündels zusammenfällt.
Figur 5 zeigt das Blech in gefaltetem und zu einer Hülse 10 zusammengeschweißtem Zustand mit einem Querschnitt gemäß Figur 6. Am Boden ist die Hülse 10 mit Führungsstummeln 12 versehen, die leicht zum Zentrum-der Hülse 10 hin abgebogen sind.
Wenn Kühlwasser durch den durch das Brennelement 7 gebildeten Brennelementkasten (oder Teilkästen) aufwärts strömt und im oberen Teil des Kastens zu einem Wasserfilm an der Wand 6 des Kanals sowie an den Brennstäben 1 reduziert ist (Figur 1), ist gemäß der Erfindung beabsichtigt, daß das an der Kastenwand 6 entlangfließende Wasser in Kontakt mit der Hülse 10 kommt. Die Hülse bildet eine Erhöhung längs der Wand 6 und schabt das Kühlwasser von der Wand 6 ab und lenkt es zu den innen angeordneten Brennstäben um, wodürch die Kühlung dieser Brennstäbe verbessert wird. Da die Hülse eine Struktur mit großen Öffnungen hat, wird vermieden, daß der Druckverlust unnötig groß ist. Eine besonders geeignete netz-ähnliche Gestalt in dieser Hinsicht zeigen, wie erwähnt, die Figuren 4-6. Da die vom Netz gebildeten Vierecke rhombenförmig sind mit einer Orientierung der längeren Diagonale in Richtung des Bündels, trifft das nach oben strömende Kühlwasser im wesentlichen nur auf Erhöhungen, die zur Hauptströmungsrichtung des Wassers schräg verlaufen. Dies bewirkt eine weitere Reduzierung des Druckverlustes. Andere netzähnliche Konfigurationen sind natürlich möglich; die Hauptsache ist jedoch, daß das Kühlwasser in größtmöglichem Ausmaß mit den schrägen Erhöhungen in Kontakt kommt.
Wo notwendig, können mehrere Hülsen eingeführt werden; zweckmäßigerweise jedoch nur eine Hülse zwischen jedem Paar aus benachbarten Abstandshaltern.

Claims

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor in Gestalt eines langgestreckten Kastens oder mehrerer Teilkästen, wobei jeder Kasten mehrere Ecken hat, mit einem Bündel entsprechend langgestreckter Brennstäbe (1), die in jedem Kasten angeordnet sind und von einer Vielzahl längs des Bündels angeordneter Abstandshaltern (8,9) in ihrer Lage gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Brennelements, zumindest zwischen einem Paar von Abstandshaltern, eine aus einem Blech geformte Hülse um das Bündel herum angeordnet ist, wobei die äußere Gestalt den Hülse so beschaffen ist, daß sie sich dicht den Wänden des das genannte Brennstabbündel umgebenden Kastens anpaßt, und daß das genannte Blech mit einer großen Anzahl von Öffnungen perforiert ist zur Reduzierung des von dem Blech im Kühlmittelstrom verursachten Druckverlustes und zur Reduzierung der im Brennelement vorhanderien Materialmenge.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Blechfläche, die von den genannten Öffnungen eingenommen wird, zu der Blechfläche, die von dem übrigen Blechmaterial abgedeckt wird, mindestens 1:1 beträgt.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Öffnungen derart geformt und angeordnet sind, daß.das verbleibende Blechmaterial in größtmöglichem Ausmaß aus Erhöhungen besteht, die zur Hauptachse des Brennstabbündels schräg verlaufen.

4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hülsenblech (10) durch Ausstanzungen eine netz-ähnliche Struktur verliehen ist.

5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Naschen der netz-ähnlichen Struktur rhombische Gestalt haben, wobei die längere Diagonale sich in Längsrichtung (vertikal) des Brennstabbündels erstreckt.

6. Brennstabbündel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die untere Kante der Hülse (10) nach innen zum Zentrum des Bündels etwas abgebogen ist.

7. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) aus Zirkaloy besteht.