DE69112124T2

DE69112124T2 - Rohrbündel für Kernreaktor.

Info

Publication number: DE69112124T2
Application number: DE69112124T
Authority: DE
Inventors: Robert Bruce Elkins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-05-24
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: EP0458086A1; FI912506A0; EP0458086B2; US5149495A; EP0458086B1; ES2078990T3; DE69112124D1; FI912506A; JPH04231894A; JP2511584B2; DE69112124T3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennelement.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In einem typischen Siedewasserreaktor wird Brennstoff in einer Anzahl von Brennstäben bereitgestellt. Der Brennstoff selbst liegt in Form zylindrischer Pellets aus angereichertem Uran vor. Die Anreicherung ist der Anteil von spaltbarem U²³&sup5; zum nicht spaltbaren U²³&sup8;. Diese Pellets sind in einem langen, zylindrischen Rohr eingeschlossen und an beiden Enden abgedichtet. Das zylindrische Rohr mit den eingeschlossenen Brennstoffpellets ist als ein "Brennstab" bekannt. Die Stäbe sind in dem Reaktor in einer Anzahl diskreter Packungen angeordnet, die "Brennelemente" genannt werden.
Jedes Brennelement schließt eine Vielzahl von Stäben ein, die zwischen einer oberen Gitterplatte und einer unteren Gitterplatte gehalten sind. Die Gitterplatten enthalten Sitze oder Öffnungen zum Positionieren und Halten der Enden der Brennstäbe. Zusätzlich schließen die Gitterplatten Öffnungen ein, um dadurch eine in den Zwischenräumen zwischen den Brennstäben vorhandene Wasserströmung zu gestatten.
Jedes Brennelement ist von einem Brennstoffkanal umgeben. Dieser Kanal, der typischerweise quadratisch im Schnitt ist, erstreckt sich von der unteren Gitterplatte bis zur oberen Gitterplatte. Der Kanal begrenzt eine Wasserströmung zwischen den Gitterplatten und um die Brennstäbe herum.
Typischerweise sind sieben Abstandshalter im wesentlichen gleichmäßig entlang der Länge des Brennelementes innerhalb des Brennstoffkanaies angeordnet. Die Abstandshalter positionieren die Brennstäbe weiter entlang ihrer Längsausdehnung. Ein oberer Handhabungsteil, der typscherweise an der oberen Gitterplatte angebracht ist, und ein unteres Nasenstück, das von der unteren Gitterplatte aus nach unten vorsteht, bilden das Ober- und Bodenteil des Brennelementes. Der Handgriff und das Nasenstück gestatten die einfache Einführung und Entfernung der Brennelemente während sogenannter "Reaktor-Stillstandzeiten".
Einzelne Brennstäbe in einem Element sind in einer Matrix und normalerweise in Reihen und Spalten angeordnet. Typischerweise werden einige Plätze der Reihen und Spalten in der Matrix durch Haltestäbe eingenommen. Die Haltestäbe sind mit Gewinde versehene Brennstäbe, die an der oberen und unteren Gitterplatte angreifen, um dem Brennelement strukturelle Integrität zu verleihen. Ein typischer Brennstab hat eine Länge von etwa 406 cm (160 inches).
In einem Reaktor sind mehrere Brennelemente im Reaktorkern angeordnet. Die Brennelernente sind zwischen einer unteren Kernplatte und einer oberen Führung angeordnet. Die Brennelemente werden innerhalb des Reaktorkernes auf der Höhe der Kernplatte abgestützt und durch die obere Führung vertikal im Abstand voneinander gehalten.
Jedes Brennelement im Reaktorkern ist typischerweise von seinen benachbarten Brennelementen beabstandet. Dieser Abstand bildet ein wassergefülltes Volumen im Reaktorkern, der als Kern-Umgehungsbereich bekannt ist. In diesem Kern-Umgehungsbereich wird durch Abmessen einer geringen Wassermenge durch die Düsen der Brennelemente Wasser gehalten.
Die Kernreaktion wird durch eine Anzahl von Steuerstäben geregelt. Diese haben typischerweise eine kreuzförmige Gestalt, so daß jeder Steuerstab benachbart vier Brennelementen liegt. Die Steuerstäbe werden in den Kern-Umgehungsbereich eingeführt, bzw. aus diesem herausgezogen. Die Steuerstäbe enthalten Neutronenabsorber, so daß die Einführung der Steuerstäbe lokal die Reaktion verlangsamt oder davon abhält, kritisch zu werden.
Während des Betriebes des Reaktors tritt Wasser durch die untere Gitterplatte in das Brennelement ein. Das Wasser steigt aufgrund des Erhitzens und auch, wo benutzt, aufgrund der Wirkung von einer oder mehreren Pumpen zum Erzwingen der Zirkulation durch den Reaktor, durch die Brennelemente nach oben. Während das Wasser durch die Brennelemente nach oben steigt und zunehmend erhitzt wird, erreicht es schließlich während des normalen Betriebes seinen Siedepunkt. Aus dem siedenden Wasser bildet sich Dampf, der Dampfblasen im oberen Teil des Brennelementes verursacht.
Das Wasser in einem Siedewasserreaktor übt zwei Funktionen aus. Erstens trägt das Wasser die Wärme vom Reaktor weg, so daß diese durch, zum Beispiel, eine Turbine in brauchbare Energie umgewandelt werden kann. Zweitens wirkt das Wasser als ein Moderator, d.h., es verlangsamt die "schnellen" Neutronen.
Neutronen sind in einer Kernreaktion bei verschiedenen Energieniveaus vorhanden. Die Neutronen werden im allgemeinen als "schnelle" Neutronen und "langsame" (oder "thermische") Neutronen bezeichnet. Das Verlangsamen der schnellen Neutronen ist aus mindestens zwei Gründen erwünscht. Erstens sind die langsamen Neutronen reaktionsfähiger in dem Sinne, daß sie die erwünschte Kettenreaktion, die die Spaltung von U²³&sup5;-Atomen einschließt, aufrechterhalten. Zweitens werden langsamere Neutronen leichter als die schnelleren Neutronen durch die Steuerstäbe eingefangen. Ein Moderator erhöht somit die Wirksamkeit der Steuerstäbe.
Wie ausgeführt, ist Wasser ein Moderator schneller Neutronen. Wird Wasser jedoch erhitzt, dann wird es weniger dicht und als ein Moderator weniger wirksam. Wird das Wasser Dampf, dann vermindert sich seine Wirksamkeit als ein Moderator drastisch, und es kann für einige Zwecke als ein vernachlässigbarer Moderator behandelt werden.
In frühen Brennelement-Designs wurden alle Gitterpositionen im Element durch Brennstäbe eingenommen. In diesen frühen Designs war der einzige Raum für Wasser im Inneren eines Brennelementes der Raum zwischen den Brennstäben und im Zwischenraumvolumen zwischen diskreten Brennelementen. Weil der Raum zwischen Stäben typischerweise mit einer Mischung von Wasser und Dampf gefüllt ist, ist die moderierende Wirksamkeit dieses Raumes geringer, als die des Raumes zwischen Brennelementen, der "festen" Moderator enthält. Das am wirksamsten moderierende Wasser des Reaktors war demgemäß zwischen Brennelementen, d.h. im Kern-Umgehungsbereich, in den Zwischenräumen zwischen den Elementen außerhalb der Brennstoffkanäle angeordnet. In solchen früheren Konfigurationen waren die inneren Brennstäbe in irgendeinem Brennelement relativ weit entfernt von den großen Volumina "festen" moderierenden Wassers. Wegen dieses Abstandes wiesen die am meisten innen gelegenen Positionen im Brennelement große Verhältnisse von schnellen zu langsamen Neutronen auf und waren daher bei der Aufrechterhaltung solcher Kernreaktionen, die "langsame" oder "thermische" Neutronen erfordern, wenig wirksam. Die inneren Stäbe wurden daher typischerweise mehr angereichert, um diesen Mangel der Effizienz zu kompensieren. Eine solche erhöhte Anreicherung in den Brennstäben ist jedoch recht teuer. Es wurde daher entschieden, zusätzliches, moderierendes Wasser in den inneren Positionen eines Brennelementes zu schaffen.
Es wurden anfänglich ein oder mehrere Brennstäbe durch ein hohles Rohr (als "Wasserrohr" bezeichnet) gleichen Durchmessers ersetzt, um Wasser hindurchströmen zu lassen. Der Wasserstab stand mit der unteren Gitterplatte in Verbindung und erstreckte sich durch die obere Gitterplatte. Der Wasserstab hatte seinen eigenen begrenzten Wasserströmungspfad, und er war folglich (wie der Umgehungsbereich) mit Wassermoderator gefüllt.
Ein Wasserstab hat nukleare und thermische Vorteile gegenüber dem Freilassen eines Raumes, der nicht von einem Brennstab eigenommen wird. Durch Bereitstellen eines hohlen Rohres wird das unterkühlte Wasser darin daran gehindert, sich mit dem anderen erhitzten Wasser im Brennelement zu vermischen und damit etwas isoliert. Das Wasser im Rohr siedet daher nicht wie anderes Wasser im Brennelement.
Dieses Schema schaffte, wegen zusätzlichen Moderators, in den inneren Positionen eines Brennelementes einige Vorteile. Anfänglich waren die Wasserstäbe von gleicher Größe wie die Brennstäbe. Später wurden Versuche unternommen, Wasserrohre mit größerem Durchmesser in den Brennelementen bereitzustellen, wobei diese späteren Wasserrohre die Größe des üblichen Brennstabes überstiegen. Diese Versuche zur Schaffung größerer Wasserrohre schlossen lediglich das Anordnen eines standardgemäßen Rohres mit rundem Querschnitt oder, in einigen Fällen, eines Rohres mit quadratischem Querschnitt in inneren Positionen eines Brennelementes ein, so daß es ein oder mehrere Brennstäbe ersetzte. Es wurde jedoch kein wirksamer Versuch unternommen, von den beabstandeten, standardgemäß runden oder quadratischen Rohren abzugehen, oder die Wirkung dieser Gestalten auf auf die Reaktor-Wirksamkeit systematisch zu analysieren.
Da Brennstäbe bei Betrachtung im horizontalen Schnitt in Reihen und Spalten angeordnet sind, ist es üblich, sich auf jedes Brennelement als eine "Gitterposition" einnehmend zu beziehen. Werden Wasserrohre hinsichtlich ihrer Größe ausgedehnt, dann ragten sie von einer Brennstabposition in solche Brennstabpositionen, die durch benachbarte Brennstäbe eingenommen wurden.
Mit fortschreitendem Wasserrohr-Design wurde eine Konfiguration geschaffen, bei der ein Wasserrohr einen kreisförmigen Querschnitt mit einem ausreichend großen Durchmesser aufwies, so daß es mehr als eine Gitterposition einnahm. In einem solchen Design wurden vier Gitterpositionen zur Anpassung an ein kreisförmiges Wasserrohr geopfert. Es wurden auch Wasserrohre entwickelt, die eine im wesentlichen quadratische Querschnittskonfiguration aufwiesen und vier oder neun solche Gitterpositionen einnahmen.

Design-Konfiguration

Bei der Entwicklung eines neuen Wasserohr-Designs war es notwendig, gewisse Designbetrachtungen zu vereinen. Während diese Betrachtungen allgemein bekannt waren, ist dem Erfinder die gemeisame Nutzung, die ein Design, wie es hier offenbart ist, ermöglicht, nicht bekannt. Es werden daher diese Betrachtungen, gefolgt vom Design, aufgeführt. Es sollt klar sein, daß diese Zusammenstellung die vorliegende Erfindung darstellt.
Ein Aspekt des Wasserrohr-Designs, das bisher nicht systematisch untersucht worden ist, ist die Ersetzung von Brennstäben von ihren Gitterpositionen. Das Vorsehen eines Wasserstabes erfordert notwendigerweise die Verringerung der Anzahl von Brennstäben in einem Brennelement und führt so zu einer Verringerung des Brennstoffes in einem Brennelement. Trotz der Opferung von Raum für Brennstoff hat sich das Vorsehen von Wasserrohren wegen der größeren Gesamteffizienz, die erhalten wird, wenn moderierendes Material im Inneren eines Brennelementes angeordnet wird, als brauchbar erwiesen. Wie oben ausgeführt, können mehr Brennstäbe mit einer geringeren Anreicherung versehen werden, weil mehr Brennstäbe näher dem Moderator angeordnet sind. Dies verringert die Brennstoffkosten, ohne Reaktorleistung zu opfern.
Ein anderer Faktor, der zum Reaktordesign in Beziehung steht, ist die Auswirkung auf verschiedene Sicherheitsfaktoren. Ein Verstehen dieses Aspektes wird durch eine kurze Diskussion gewisser Sicherheits faktoren gefördert.
Sicherheits-Anforderungen schaffen verschiedene Einschränkungen hinsichtlich des Reaktor-Designs und -Betriebes. Es muß immer möglich sein, den Reaktor an irgendeinem Punkt während seines Betriebes abzuschalten. Weil ein Siedewasserreaktor am reaktionsfähigsten ist, wenn er relativ kühl ist, wie während der Anfahrphasen, ist der begrenzende Faktor der Abschaltfähigkeit die Reaktivitätsgrenze im kalten Zustand. Diese muß immer bei mindestens 1% der Reaktivität gehalten werden.
In einem Siedewasserreaktor induzieren schnelle Neutronen ihre eigenen Kernreaktionen. In vielen dieser Kernreaktionen schneller Neutronen wird Plutonium erzeugt. Unglücklicherweise ist Plutonium reaktionsfähiger, wenn sich der Reaktor im kalten Zustand befindet. Es ist somit bekannt, daß ein starker Fluß schneller Neutronen die Reaktivitätsgrenze im kalten Zustand verringern kann.
Zusätzlich zur kalten Abschaltgrenze gibt es auch eine heiße Betriebsgrenze. Es ist erwünscht, daß der Reaktor auf einer kontinuierlichen Basis nahe seiner Brennstoffleistung betrieben wird. Der normale, förtgesetzte Betrieb eines Reaktors erfordert jedoch, daß einige Steuerstäbe, selbst im Zustande voller Leistung, im Reaktor angeordnet sind, um die Reaktion zu gestalten, d.h. heiße Flecken im Reaktor zu verringern oder zu beseitigen. Der Reaktor muß daher so entworfen werden, daß seine Reaktionsfähigkeit bei voller Leistung geringer ist als die Leistung, die sich ergeben würde, wenn alle Steuerstäbe herausgezogen wären. Diese Unterschied der Reaktivität ist als die "heiße Überschußgrenze" bekannt. Sie beträgt typischerweise erwünschtermaßen etwa 1%.
Die Reaktionsfähigkeit des Reaktors kann somit als durch ein "Fenster" der Reaktivität beschränkt angesehen werden. Er muß die kalte Abschaltgrenze einhalten, aber auch in der Lage sein, die heiße Überschußgrenze zu erzeugen. Dieses Fenster der Betriebseinschränkungen wird als der "Ausschlag von heiß nach kalt" bezeichnet.
Zusätzlicher Moderator im Brennelement verbessert die oben beschriebene, kalte Abschaltgrenze. Dies ist zumindest teilweise deshalb so, weil mehr moderierendes Wasser ein höheres Verhältnis thermischer Neutronen erzeugt. Thermische Neutronen sind nicht so wirksam bei der Produktion von Plutonium. Mehr Wasser resultiert daher im allgmeinen in geringerer Plutoniumerzeugung. Von Plutonium ist bekannt, daß es die kalte Reaktionsfähigkeit erhöht. Mehr Wasser wird daher im allgemeinen erwünschtermaßen in geringerer, kalter Reaktionsfähigkeit resultieren.
Mehr Wasser im Brennelement verbessert auch die heiße Überschußgrenze. Dies ist deshalb der Fall, weil eine größere Wassermenge die Reaktiviät durch Schaffung von mehr thermischen Neutronen erhöht. Da die Zunahme von Wasser in den Brennelementen sowohl die kalte Abschaltgrenze als auch die heiße Überschußgrenze unterstützt, schafft sie einen größeren Ausschlag von heiß zu kalt.
Zusätzlich zu Sicherheits-Betrachtungen ist ein anderer Faktor die Lebensdauer einer Brennstoffladung. Die Reaktivität verringert sich im allgemeinen mit der Alterung der speziellen Brennstoffladung. Die kalte Abschaltgrenze muß daher innerhalb von Sicherheitsanforderungen liegen, wenn die Brennstoffladung neu und am reaktionsfäihigsten ist. Dies setzt eine obere Grenze für die Reaktionsfähigkeit einer neuen Brennstoffladung. Mit Altern der Brennstoffladung fällt die Reaktivität bis zu dem Punkt, an dem ein Nachladen von Brennstoff erforderlich wird. Das Nachladen von Brennstoff ist ein außerordentlich teures Projekt und jede Verlängerung der Zeit zwischen Brennstoffnachladungen, ist außerordentlich nützlich. Wenn somit die Rate, mit der die Reaktivität als eine Funktion des Alterns der Brennstoffladung, abnimmt, verringert werden kann, dann dauert es länger, bis die Reaktivität bis zu dem Punkt abfällt, an dem ein NacMaden von Brennstoff erforderlich wird.
Ein Weg zum Vermindern der Rate dieses Abfalls der Reaktivität ist die Zugabe von Gadoliniumoxid oder anderer "brennbarer Absorber" zum Brennstoff. Diese brennbaren Absorber fangen thermische Neutronen und verhindern die Kernreaktion; wegen dieser Eigenschaft zur Verhinderung der Kernreaktion werden sie manchmal als "Gifte" bezeichnet.
Solche Gifte wirken anfänglich in der Weise, daß sie die Reaktivität des Brennstoffes in diskreten Brennstäben vermindern. Weil diese brennbaren Absorber erschöpft oder "verbrannt" werden, während der Reaktor altert, verringern sie die Reaktivität einer neuen Brennstoffladung mehr, als die einer alternden Brennstoffladung. Auf diese Weise wird die Rate, mit der die Reaktivität abnimmt, mit dem Altern verringert. Diese brennbaren Absorber haben auch nachteilige Auswirkungen. Während der Alterungsstufen einer Brennstoffladung gibt es noch immer eine gewisse Menge restlicher, abbrennbarer Absorber, üblicherweise Gadolinium, das die Reaktivität zu einer Zeit verringert, zu der eine solche Verringerung nicht erwünscht ist. Es ist daher im allgemeinen bevorzugt, die Reaktivität einer neuen Ladung ohne Einsatz (oder unter Einsatz einer verringerten Menge) von Gadolinium zu vermindern.
Ein anderer Faktor, der beim Reaktordesign wichtig ist, ist die Existenz eines Siedens ohne Keimbildung. Instabilitäten, die zum Sieden ohne Keimbildung führen, können sowohl thermisch-hydraulische Oszillationen als auch gekoppelte, nukleare, thermisch-hydraulische Oszillationen einschließen. Diese Oszillationen werden manifest, wenn der zweiphasige Druckabfall, insbesondere in den oberen Abschnitten des Brennelementes, verglichen mit dem einphasigen Druckabfall, zu hoch wird. Gegenüber der normalen Stromung im stationaren Zustand weist die resultierende Kuhlmittelstromung dann eine zusatzliche Oszillationskomponente auf.
Die oben beschriebene, hydraulische Oszillation kann durch den dynamischen, nuklear-thermischen Rückführungsprozess verstärkt werden. Mit zunehmender Erzeugung von Dampfblasen wird die nukleare Reaktivität verringert, da Dampf, verglichen mit fiüssigem Wasser, ein schlechter Moderator ist. Es kann somit ein negatives Rückführungssystem auftreten, wodurch die Kernreaktion Wärme erzeugt, die wiederum Dampfblasen erzeugt. Die Dampfblasen verringern dann die Reaktivität wegen der schlechten Moderation, was zu einer Verringerung der aus dem Brennstoff übertragenen Wärme und zu einer Erhöhung im Verhältnis von Wasser zu Dampf führt. Diese Zunahme im Verhältnis von Wasser zu Dampf ergibt eine erhöhte Reaktivität, was den Zyklus erneut beginnt. Unter schweren Umständen kann dieses Oszillationsverhalten des Wärmeflusses der Brennstoffoberfläche und der Strömungsrate des Kühlmittels zu einem Siedeverfahren ohne Keimbildung führen, was zu einer lokalen Zunahme der Temperatur der Brennstoffhülle führt. Hydrodynamische Oszillationen sind daher unerwünscht.
Einige Aspekte des Wasserstab-Designs werden durch eine kurze Diskussion der Geschichte von Brennelement-Designs verdeutlicht. Die Designs von Brennelementen haben einen Fortschritt in der Anzahl von Brennstäben in einem Bündel gezeigt. Frühe Brennelemente wurden mit einer Anordnung von 7x7 Brennstäben gebildet, hatten somit 49 Gitterpositionen. Als nächstes wurden Brennelemente mit einer Anordnung von 8x8 Brennstäben hergestellt. Kürzlich wurden Brennelemente mit einer Anordnung von 9x9 Brennstaben hergestellt. Die physikalische Größe und die Querschnittsfläche der Brennelemente hat sich nicht erhöht, vielmehr hat der Fortschritt zu einer größeren Anzahl von einen geringeren Durchmesser aufweisenden Brennstäben im Brennelement geführt. Die durch die kleineren Brennstäbe erzeugte Wärme wird schneller an das umgebende Wasser abgegeben. Diese erhöhte Rate der Wärmeübertragung verursacht eine Zunahme in der Tendenz zu nuklear-thermisch verstärkten, hydrodynamischen Oszillationen.
Wasserstäbe sind brauchbar, um solche Oszillationen zu kontrollieren. Es ist mehr "fester" Moderator verfügbar, um die Empfindlichkeit der Kernspaltungsrate gegenüber Änderungen in der Moderatordichte im Kanal zu verringern. Die Neigung zu einem hydrodynamischen Oszillieren ist somit verringert.
Obwohl das Vorsehen und die Vergrößerung von Wasserrohren zu einigen erwünschten Ergebnissen geführt hat, gibt es auch unerwünschte Wirkungen größerer Wasserrohre. Erstens ersetzen größere Wasserrohre mehr Kernbrennstoff, so daß die gesamte wärmeerzeugende Kapazität des Reaktors beeinflußt ist. Zweitens haben größere Wasserrohre einen größeren Druckabfall im Brennelement zur Folge, d.h. der Unterschied im Wasserdruck zwischen der Boden-Gitterplatte und der oberen Gitterplatte nimmt zu. Diese Zunahme des Druckabfalles ist, wie festgestellt wurde, mit einer erhöhten Neigung zu hydraulischen Oszillationen verbunden. Drittens ist bekannt, daß Wasser nicht nur beim Verlangsamen von Neutronen wirksam ist, sondern thermische Neutronen auch absorbiert. Wird daher eine zu große Wassermenge bereitgestellt, dann absorbiert Wasser zu stark thermische (sowie schnelle) Neutronen und vermindert die Reaktivität des Reaktors.
Frühere Arten des Herangehens an das Problem des Konfigurierens eines Waserrohres zum Einbau in ein Brennelement waren im allgemeinen empirischer Natur. Es gab kein wirksames, allgemeines Verfahren zum Analysieren oder Entwerfen von Eigenschaften von Wasserrohren. Die früheren Designs waren daher zum großen Teil auf konventionelle Rohrgestalten beschränkt, wie im wesentlichen kreisförmige oder einen quadratischen Querschnitt aufweisende Rohre.
Einige der mit der Schaffung von Wasserrohren verbundene Probleme, wie sie vorstehend genannt sind, oder das Opfern von Gitterpositionen für Brennstoff waren bekannt. Da es kein allgemeines Verfahren zum Analysieren gab, wurden die relativen Nutzen und Probleme zuätzlichen Moderators jedoch nicht systematisch beim Design berücksichtigt. Weiter setzten praktische Betrachtungen, wie die Herstellbarkeit verschiedener Rohrgestalten und die Verfahren zum Verbinden der Wasserrohre und der Brennstoffrohre miteinander im erwünschten Abstand, zusätzliche Einschränkungen hinsichtlich der früher geschaffenen Typen von Wasserrohren. Wie bemerkt, schlossen frühere Wasserrohre typischerweise nur beabstandete, kreisfbrmige oder quadratische Gestalten ein.
Ein früherer Vorschlag wurde in der EP-A- 0 284 016 gezeigt und beschrieben. Dieser Vorschlag beruht auf einer Konstruktion, die von einem Verhältnis der Fläche des Moderators dividiert durch die Fläche des Kühlmitteldurchganges im Moderator abhängt, das keinerlei Beziehung zu den Kriterien der vorliegenden Erfindung hat.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein Kernbrennelement geschaffen, umfassend eine erste Einrichtung zum räumlichen Anordnen von Stäben, worin die erste Einrichtung ein Gitter mit einer Vielzahl von Gitterpositionen definiert, die eine Gitter-Schrittweise aufweisen, um das Ausmaß einer einzelnen Gitterposition zu definieren; eine Vielzahl von Kernbrennstäben, die betriebsmäßig mit der ersten Einrichtung verbunden sind und mindestens einige der Gitterpositionen einnehmen; eine sich längs erstreckende Rohranordnung, umfässend ein oder zwei hohle, sich längs erstreckende Rohre mit einer Seitenwand, die einen inneren Querschnittsbereich des Rohres oder der Rohre definiert, wobei die Rohranordnung derart konfiguriert ist, daß sie mehr als vier und weniger als neun Gitterpositionen des Gitters einnimmt, wobei die Fläche des Querschnittsbereiches des Rohres oder der Rohre, die Anzahl der eingenommenen Positionen der Rohre und die Schrittweite eine Wasserrohr-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,6 bilden, wobei die Wasserrohr-Wirksamkeit folgendermaßen definiert ist:
(Rohr-Querschnittsfläche)/[(Ausdehnung einer einzelnen Gitterposition) x (Anzahl der eingenommenen Gitterpositionen)].
In besonderen Ausführungsformen der Erfindung sind Wasserrohr-Designs vorgesehen, die hinsichtlich der Raumnutzung wirksam sind und die im besonderen eine Wasserrohr-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,6, vorzugsweise mehr als etwa 0,7, aufweisen. Die Wasserrohre nehmen eine Anzahl von Gitterpositionen ein, die sich als auswählbar erwiesen haben, um ein erwünschtes Ausmaß der Moderation zu erzeugen und doch eine zu große Abnahme der aktiven Strömungsfläche und der Anzahl der Brennstäbe zu vermeiden.
Durch Schaffen eines Wasserrohres mit einer erhöhten Wirksamkeit werden mehrere Vorteile erzeugt. Allgemein beziehen sich diese Vorteile auf die Wirksamkeit, weil sie die Vorteile von Wasserrohren schaffen, aber eine verminderte Notwendigkeit aufweisen, potentielle Brennstab-Positionen zu opfern.
Das wirksame Bereitstellen eines größeren Moderatorvolumens verbessert die kalte Grenze durch Bereitstellen von mehr Moderator näher den Brennstäben. Die offenbarten Designs verbessern die heiße Grenze durch Erhöhen der heißen Reaktivität, da größere Moderatormengen vorhanden sind. Der Ausschlag von heiß zu kalt ist dadurch verbessert. Entsprechend kann die Menge von Gadoliniumoxid verringert werden, um den Gadoliniumrest zu vermindern.
Das wirksame Bereitstellen größerer Moderatormengen erhöht auch das Verhältnis von Wasser zu Dampf im zweiphasigen Abschnitt des Reaktors. Wird dieses Verhältnis verbessert, dann wird die Neigung zu Instabilitäten verringert. Eine solche Verringerung der Neigung zu Instabilitäten gleicht zumindest teilweise die Zunahme im Druckabfall aus, die mit größeren Wasserrohren verbunden ist.
Durch Schaffung von mehr Brennstab-Positionen, die sich benachbart einem Wasserstab befinden, befindet sich eine größere Anzahl von Brennstäben in Positionen hohen Wertes (d.h. nahe dem Moderator). Es kann daher weniger angereicherter und billigerer Brennstoff ohne Opfern von Reaktivität eingesetzt werden.
Durch Schaffung einer größeren Anzahl von Brennstäben mit geringer Anreicherung in einem Bündel kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung erzeugt werden, was Spitzen von Stab zu Stab und von Brennelement zu Brennelement verringert.
Ein Wasserrohr mit größerer Querschnittsfläche in einem Teil des Brennelementes hat sich gegenüber der gleichen Querschnittsfläche als vorteilhaft erwiesen, die durch mehrere beabstandete, kleinere Rohre geschaffen wird.
Die wirksame Bereitstellung größerer Moderatormengen verringert die Neigung zu hydraulischen und nuklear-thermisch hydrodynamischen Instabilitäten. Dies wiederum gestattet den Gebrauch von Brennstäben mit hoher Bestrahlung, wie eine 9x9 Anordnung potentieller Brennstab-Positionen. Dieser Vorteil ist weiter nützlich, weil eine größere Anzahl von Gitterpositionen eine größere Flexibilität für die Anordnung von Wasserrohren ergibt.
Durch Schaffung eines neuen Designparameters beim Entwurf von Wasserrohren können mögliche Wasserrohr-Gestalten wirksam überprüft und vorgeschlagene Designs können auf einer objektiven Wirksamkeitsgrundlage ausgewählt werden.
Spezielle Querschnittsgestalten von Wasserrohren, die möglich sind und wirtschaftlich hergestellt werden können, werden geschaffen. Die bevorzugten Konfigurationen schließen eine "Figur 8"-Gestalt mit zwei benachbarten kreisförmigen Abschnitten und einer "Erdnuß"-Querschnittsgestalt ein, die zwei im wesentlichen dreieckige Abschnitte mit abgerundeten Ecken aufweist, die durch einen verengten Abschnitt getrennt sind. Andere Designs schließen ein im wesentlichen "rechteckiges" Querschnitts- Design und ein "kreuzförmiges" Design mit vier konkaven Abschnitten ein, die vier Lappen trennen. Die speziellen Designs sind von ausführbarer Konstruktion, und sie ergeben die erwünschte Wirksamkeit und den erwünschten Moderationsbereich.
Ein Verfahren zum Analysieren von Wasscrrohr-Eigenschaften wird geschaffen, das die Bestimmung einer definierten Wasserrohr-Wirksamkeit und die wesentliche Einnahme einer Anzahl von Gitterpositionen in einem vorbestimmten Bereich einschließt.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anordnen und Verbinden des Wasserrohres mit Bezug auf die Brennstäbe und Abstandshalter wird auch geschaffen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 ist eine perspektivische Teilansicht von Brennelementen, die wie in einem Reaktor angeordnet sind, wobei Teile weggeschnitten sind, um Brennstabe und Wasserrohre darin zu zeigen;
Figur 2 ist eine graphische Darstellung, die die Raumnutzung als eine Funktion der Gitterpositionen wiedergibt, die für verschiedene Wasserrohr-Designs geopfert werden und die Wasserrohr-Wirksamkeiten angibt;
Figur 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Wasserrohr gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt
Figur 4 ist eine perspektivische Teilansicht des Wasserrohres von Figur 3 und benachbarter Brennstäbe;
Figur 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Wasserrohr gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 6 ist eine perspektivische Teilansicht des Wasserrohres nach Figur 5 und benachbarter Brennstäbe;
Figur 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Wasserrohr gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 8 ist eine perspektivische Teilansicht des Wasserrohres von Figur 7 und benachbarter Brennstäbe;
Figur 9 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Wasserrohr gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 10 ist eine perspektivische Teilansicht des Wasserrohres von Figur 9 und benachbarter Brennstäbe und
Figuren 11A-C zeigen einen Teil eines Wasserrohres und eines Abstandshalters in drei Stadien während des Eingriffs dazwischen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines Reaktorkernes. Figur 1 zeigt vier Brennelemente 12, 14, 16 und 18, die so angeordnet sind, wie sie in einem Kernreaktor zwischen einer unteren Kernplatte 19 und einer oberen Führung 20 angeordnet sein würden. Die Brennelemente 12, 16 sind teilweise weggeschnitten ohne die obere Gitterplatte gezeigt, wodurch das Innere der Brennelemente freigelegt ist. Ein kreuzförmiger Steuerstab 21 ist in teilweise eingeführter Position gezeigt. Jedes der vier Brennelemente 12, 14, 16 und 18 enthält 81 Gitterpositionen in einer regulären quadratischen 9x9-Anordnung, wie zum Beispiel an der oberen Platte 22 gebildet.
Wie am besten in Figur 3 ersichtlich, sind die 81 Gitterpositionen der Anordnung durch imaginäre Linien 24 gebildet, die durch einen Abstand oder eine Schrittweite 26 voneinander getrennt sind. Jede der 81 Gitterpositionen repräsentiert eine potentielle Stelle für einen Brennstab. In jeder Brennelement-Konstruktion werden gewisse dieser Stellen durch (nicht gezeigte) Haltestäbe eingenommen, um die obere und untere Platte für Strukturzwecke zusammenzuhalten. Die meisten der Gitterpositionen werden im wesentlichen durch grundlegende Brennstäbe 28 eingenommen. Bei den meisten Brennelement-Konstruktionen sind die Brennstäbe tangential durch einen Raum 32 voneinander getrennt. Wie oben beschrieben, wird dieser Abstand der Brennstäbe vorzugsweise durch Abstandshalter aufrechterhalten, die weiter unten vollständiger beschrieben werden. Bei einem Siedewasserreaktor mit einer 9x9-Anordnung beträgt die Schrittweite 26 typischerweise etwa 11 mm und der Abstand 32 etwa 3 mm.
Im folgenden wird ein neuer Parameter für die Wasserrohr-Wirksamkeit beschrieben, und es werden Wasserrohr-Wirksamkeiten für eine Anzahl früherer Wasserrohre gezeigt. Als nächstes werden drei spezielle Wasserrohr-Konfigurationen mit einer hohen Wasserrohr-Wirksamkeit gemäß neuen Wirksamkeits-Parametern beschrieben. Schließlich wird der Weg beschrieben, auf dem die Wasserrohre geschaffen werden kön nen sowie eine Art und Weise, in der sie mit Abstandshaltern verbunden werden konnen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wasserrohr geschaffen, das ein erwünschtes Ausmaß der moderierenden Wirkung ausübt, ohne zu stark zu moderieren. Eine zu starke Moderation bedeutet die Schaffung von so viel Moderation, daß die Gesamtwirksamkeit des Reaktors in unerwünschter Weise wegen der Absorption thermischer Neutronen vermindert wird. Es wurde festgestellt, daß für diese Zwecke ein Wasserrohr so konfiguriert werden sollte, daß es mehr als vier Gitterpositionen, vorzugsweise mindestens fünf Gitterpositionen einnimmt. Das Wasserrohr sollte auch weniger als neun Gitterpositionen, vorzugsweise etwa sieben oder weniger Gitterpositionen einnehmen. Es wurde festgestellt, daß durch Schaffung von Wasserrohren, die diesen Bereich von Gitterpositionen einnehmen, die moderierende Wirkung des Wassers im Wasserrohr genügt um eine erwünschte Zunahme in der Reaktor-Wirksamkeit zu schaffen, ohne die Reaktion zu stark zu moderieren.
Wie oben ausgeführt, wird ein Indikator der Wirksamkeit geschaffen, der als "Wasserrohr-Wirksamkeit" bezeichnet ist. Diese Quantität wird in brauchbarer Weise durch die folgende Berechnung erhalten:
Netto-Querschnittsfläche des Wasserrohres / (Fläche einer einzelnen Gitterposition) x (Anzahl der geopferten Gitterpositionen)
Unter Bezugnahme auf Figur 2 wird die Netto-Querschnittsfläche des Wasserrohres, dividiert durch die Fläche einer einzelnen Gitterposition, als eine Funktion der Anzahl der geopferten Gitterpositionen gezeigt. TABELLE 1 Punkt Früheres Rohr oder vorliegende Erfindung Anzahl der geopferten Früheres Rohr 1 Gitterpositionen Gestalt Figur Früheres Rohr Vorliegende Erfindung Rund* Rund** Rund Quadratisch Figur-8 Erdnuß Rechteckigt Kreuzförmig * Durchmesser = Brennstab-Durchmesser * * Durchmesser > Brennstab-Durchmesser
Die Wasserrohr-Wirksamkeit, die durch die obige Gleichung 1 definiert ist, hat, wie in Figur 2 graphisch ersichtlich, die Neigung einer Linie, die mit einem Punkt des Ursprunges (0,0) der Graphik verbunden ist. Die Linie 64 zeigt zum Beispiel Wirksamkeiten von Wasserstäben mit einer Konfiguration, wie sie für den Wasserstab 34 gezeigt ist. Die Wirksamkeit einer solchen Konfiguration beträgt etwa 0,33. Die Linie 66 zeigt die Wirksamkeit für Wasserrohre, die eine Konfiguration wie das Wasserrohr 38 haben. Die Wirksamkeit solcher Wasserrohre beträgt etwa 65. Die Linie 68 zeigt eine Wirksamkeit von 100% oder 1,0. Wie in Figur 2 ersichtlich, war eine Anzahl früherer Wasserrohr-Konfigurationen, wie Wasserrohre der Linien 64 und 66, auf eine Wasserrohr- Wirksamkeit von weniger als etwa 0,6 beschränkt.
Zum Verstehen der folgenden graphischen Darstellung wird zuerst auf gewisse Wasserrohr-Konstruktionen nach dem Stande der Technik Bezug genommen. Es werden spezifische Punkte in der graphischen Darstellung aufgetragen, so daß der Parameter der Wasserrohr-Wirksamkeit im Hinblick auf den Stande der Technik bewertet werden kann.
Danach werden die Ausführungsformen, die mit Hilfe dieses Werkzeuges entwikkelt wurden, auf der graphischen Darstellung bewertet. Es wird gezeigt, daß für Wasserrohre, die mehr als vier Gitterpositionen, aber weniger als neun Gitterpositionen einnehmen, die graphische Darstellung der Figur 2 ein wertvolles Design-Werkzeug darstellt.
Man betrachte das einfachste Beispiel eines früheren Wasserstabes. Dieses Wasserrohr hat die gleiche Gestalt und den gleichen inneren Durchmesser wie ein Brennstab. Natürlich nimmt er eine Gitterposition ein und ist rund. Um den zusätzlichen Moderator durch das Brennelement zu verteilen, werden zehn gleichmäßig beabstandete Stäbe als in einer 9x9-Anordnung verteilt angesehen. Nimmt man an, daß nur ein solches Wasserrohr benutzt wird, dann erscheint eine solche Wasserrohr-Ersetzung an der Stelle 34 auf der graphischen Darstellung der Figur 2.
Nun nimmt man den gleichen Stab und multipliziert seinen Ort auf eine Gesamtzahl von zehn Orten in der gleichen Anordnung. Eine solche Stabverteilung befindet sich am Punkt 58 auf der graphischen Darstellung der Figur 2.
Die Verbindung der Punkte 34 und 58 durch eine gerade Linie, die durch den Ursprung der graphischen Darstellung verläuft, ist instruktiv. Man wird feststellen, daß Zwischenzahlen von Wasserrohren, die alle die gleiche Konfiguration haben, auf der entsprechenden Stelle der "geoplerten Gitterpositionen" auf Linie 64 der graphischen Darstellung erscheinen.
Man betrachtet die gleiche runde Gestalt, erweitert jedoch den Durchmesser des Wasserrohres. Die Erweiterung des Wasserrohres wird fortgesetzt, bis das Wasserrohr einen maximalen Durchmesser erreicht, ohne mit benachbarten Gitterpositionsgrenzen in Berührung zu kommen. In der Annahme, daß ein solches Wasserrohr innerhalb eines Brennelementes angeordnet wird, wird der Punkt 38 aufgetragen.
Erweitert man die Gesamtzahl der Wasserrohre auf zehn, dann ergibt dies den Punkt 60. Verbindet man diese beiden Punkte durch eine gerade Linie 66, die sich durch den Ursprung der graphischen Darstellung erstreckt, dann erhält man die Wirksamkeit dieses Wasserrohr-Designs. Weiter wird festgestellt, daß Zwischenzahlen von Wasserrohren, die alle die gleiche Konfiguration aufweisen, auf der Linie 66 an den entsprechenden Stellen der "geopferten Gitterposition" der graphischen Darstellung erscheinen.
Es sind somit in Figur 2 zwei Linien 64 und 66 definiert, deren Neigungen relati- ve Grenzen der Wirksamkeiten für runde Wasserrohre nach dem Stande der Technik und den maximalen Durchmesser eines Wasserrohres, das einzelne Gitterpositionen einnimmt, definieren.
Das Auftragen von zwei weiteren Wasserrohr-Konstruktionen nach dem Stande der Technik kann instruktiv sein. Es wird ein rundes Wasserrohr betrachtet. Dieses Wasserrohr soll vier Gitterpositionen einnehmen. Ein solches Wasserrohr erscheint an Punkt 42 der graphischen Darstellung.
Nun nimmt man diese Wasserrohr-Gestalt und macht den Querschnitt des Wasserrohres statt rund quadratisch. Weiter soll das Wasserrohr vier Gitterpositionen einnehmen. Ein solches Wasserrohr erscheint an Punkt 48.
Schließlich nimmt man das quadratische Wasserrohr. Man erweitert die Abmessung des Wasserrohres, bis neun Gitterpositionen eingenommen werden. Es ergibt sich der Punkt 50.
Es gibt jedoch einen Nachteil für die Konfigurationen der Wasserrohre der Punkte 48 und 50. Das Wasserrohr 48 nimmt weniger als die erwünschte Anzahl von Gitterpositionen ein; das Wasserrohr 50 nimmt mehr als die erwünschte Anzahl von Gitterpositionen ein.
Es wurde festgestellt, daß Wasserrohr-Konfigurationen, die vier oder weniger Gitterpositionen einnehmen, zu wenig Moderation für die erwünschte, wirksame Reaktion im Brennelement ergeben. Andere Konfigurationen, die neun oder mehr Gitterpositionen einnehmen, moderieren die Reaktion in unerwünschter Weise zu stark oder opfern zu viele Brennstäbe.
Erinnert man sich, duß die Neigung der Linien den Ursprungspunkt (0,0) und einen speziellen Punkt auf der graphischen Darstellung der Figur 2 verbinden, dann versteht man, daß die beiden Konfigurationen der Punkte 48 und 50 sehr erwünschte Wirksamkeiten aufwiesen. Durch das Einnehmen von zu wenigen Gitterpositionen (vier für Punkt 48) oder zu vielen Gitterpositionen (neun für Punkt 50) ergab sich jedoch eine zu geringe oder zu starke Moderation. Trotz der scheinbar hohen Wirksamkeiten sind diese Ausführungsformen des Standes der Technik nicht bevorzugt.
Die vorliegende Erfindung schließt somit die Schaffung einer Wasserrohr-Konfiguration ein, die durch Schaffung einer Wasserrohr-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,6, vorzugsweise mehr als etwa 0,7, sowohl die geopferten Gitterpositionen wirksam nutzt, als auch durch Moderation in einem erwünschten Bereich für die Wirksamkeit des Betriebes des Kernreaktors sorgt.
In den Figuren 3 und 4 weist das Wasserrohr 52 zwei topologisch konkave Bereiche 74a und 74b auf. Ein topologisch konkaver Bereich ist einer, bei dem es mindestens ein Liniensegment gibt, das zwei Punkte des Bereiches verbindet, das außerhalb der Grenze des Wasserrohres 52 verläuft. Nimmt man zum Beispiel die Punkte 100 und 102 und verbindet diese durch die Linie 103, dann ist ersichtlich, daß die Linie 103 außerhalb der Wasserrohr-Grenzlinie verläuft.
Das Wasserrohr 52 nimmt sieben Gitterpositionen ein, und es ist so konfiguriert, daß es zwei dreiecklge Bereiche 76a und 76b mit abgerundeten Ecken bildet, die an ihren jeweiligen Grundlinien 78a und 78b kontinuierlich durch einen eingeschränkten Bereich 82 verbunden sind. Dieser eingeschräkte Bereich 82 wird durch zwei sich nach innen erstreckende Längsvorsprünge 84a und 84 b gebildet, wie am besten in Figur 4 ersichtlich. Wie in Figur 4 ersichtlich, bilden die beiden sich nach innen erstreckenden Längsvorsprünge zwei Rillen 86a und 86b im Äußeren des Wasserrohres, die eine solche Konfiguration haben, um Teile der Brennstäbe 87a, 87b aufzunehmen.
In den Figuren 5 und 6 ist ein Wasserrohr 54 gezeigt, das eine topologisch konvexe Gestalt hat. Eine Gestalt ist topologisch konvex, wenn ein Liniensegment, das zwei Punkte verbindet, nicht außerhalb der Grenze des Wasserrohres vefläuft. Es ist zum Beispiel ersichtlich, daß es keine zwei Punkte gibt, die durch eine Linie verbunden sind, die außerhalb des Wasserrohres verläuft.
Der Querschnittsbereich des Wasserrohres 54 hat im wesentlichen eine rechteckige Gestalt. Wie am besten in Figur 5 ersichtlich, liegt das Wasserrohr im wesentlichen benachbart zu mindestens zehn im Brennelement angeordneten Brennstäben. Für diesen Zweck ist ein Brennstab benachbart, wenn seine Gitterposition mindestens eine Ecke gemeinsam mit einer ersetzten Gitterposition hat. Das Wasserrohr 54 nimmt sieben Gitterpositionen ein.
In den Figuren 7 und 8 ist ein Wasserrohr 56 gezeigt, das vier sich nach innen erstreckende Längsvorsprtinge 96a-96d aufweist, die dazwischen vier nach außen vorspringende Lappen 98a-98d bilden. Die sich nach innen erstreckenden Vorsprünge 96a-96d bilden Rillen 102a-102d, die eine solche Konfiguration haben, um mindestens einen Teil der Brennstäbe 104a-104d in jeder aufzunehmen. Das Wasserrohr 56 nimmt fünf Gitterpositionen ein, und es schließt vier topologisch konkave Bereiche ein.
In den Figuren 9 und 10 ist ein Wasserrohr 46 mit zwei im wesentlichen kreislörmigen Abschnitten gezeigt. Das Wasserrohr befindet sich im wesentlichen benachbart mindestens zehn im Brennelement angeordneten Brennstäben. Das Wasserrohr 46 nimmt sieben Gitterpositionen ein. Das Wasserrohr 46 kann konzeptionsmäßig als zwei benachbarte und eingeschränkte, runde Rohre betrachtet werden. Bei dieser Betrachtung nimmt jedes der runden Rohre dreieinhalb Gitterpositionen ein. Dies ist ein Vorteil der Schaffung von Rohren in eng benachbarten Positionen statt in beabstandeten Positionen. Wären die runden Rohre isoliert, dann würde jedes vier Gitterpositionen einnehmen. Durch Anordnen von zwei Rohren benachbart, unter Bildung eines einzelnen Wasserstabes mit einer Figur-8-Form, werden insgesamt nur sieben Positionen eingenommen, was eine Gitterposition einspart.
Das Auftragen der Ausführungsformen in der graphischen Darstellung der Figur 2 kann instruktiv sein. Erstens ist ersichtlich, daß die Ausführungsform der Figuren 3 und 4 am Punkt 52 der graphischen Darstellung erscheint. Dieser Punkt ergibt eine Wirksamkeit von mehr als 0,91, und dies ist die höchste Wirksamkeit der hier entwikkelten Ausführungsformen. Sie ist demgemäß bevorzugt.
Das Auftragen der Ausführungsform der Figuren 5 und 6 ergibt den Punkt 54 auf der graphischen Darstellung. Dieser Punkt ergibt eine geringere Wirksamkeit (0,77), als die Ausführungsform der Figuren 3 und 4, doch ist diese Ausführungsform strukturell einfach herzustellen. Diese Ausführungsform ist nicht so bevorzugt, wie die der Figuren 3 und 4, doch ist sie trotzdem sehr vorteilhaft.
Die Vierblatt- oder "Klee"-Ausführungsform der Figuren 7 und 8 hat eine hohe Wirksamkeit. Sie nimmt fünf Gitterpositionen ein, was der erforderliche Bereich von Gitterpositionen ist, um eine genügende Moderation zu erzeugen. Die Wirksamkeit dieser Ausführungsform beträgt 0,83. Wegen der Kompliziertheit bei der Herstellung ist diese Ausführungsform jedoch weniger bevorzugt, als die Ausführungsform der Figuren 3 und 4.
Schließlich zeigen die beiden benachbarten, runden Rohre der Figuren 9 und 10 eine hohe Wirksamkeit. Es ist jedoch zu bemerken, daß diese Ausführungsform durch eine Sehne abgeschnitten ist, was eine Herstellungsschwierigkeit darstellt. Diese Ausführungsform hat eine Wirksamkeit von 0,76.
Wie oben ausgeführt, werden Wasserrohre und Brennstäbe unter Einsatz von Abstandshaltern im Abstand voneinander gehalten. In früheren Konfigurationen, wie kreisförmigen oder quadratischen Konfigurationen, war ein gewisses Ausmaß der Rotation eines Wasserrohres um die Längsachse möglich, ohne mit benachbarten Brennstäben zu kollidieren. Diese Eigenschaft wurde dazu benutzt, ein Wasserrohr an einem Abstandshalter zu befestigen oder zu verriegeln, um die relative, axiale Bewegung zu verhindern. Bei einem solchen Verfahren wurde ein Ansatz an der äußeren Oberfläche des Wasserrohres geschaffen. Das Wasserrohr wurde längs, mit Bezug auf den Abstandshalter, bewegt, bis der Ansatz mit einem Eingriffs- oder Verriegelungsteil auf dem Abstandshalter ausgerichtet, aber versetzt dazu, war. Das Rohr wurde dann um seine Längsachse gedreht, um den Ansatz in Eingriff mit dem Eingrifs- oder Verriegelungsteil des Abstandshalters zu bringen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein anderes Verfahren zum Aufrechterhalten der axialen Position eines Wasserstabes mit Bezug auf einen Abstandshalter. Obwohl dieses Verfahren bei einer Vielfalt von Wasserstäben benutzt werden kann, ist es besonders brauchbar, wenn die Rotation eines Wasserstabes um seine Längsachse unpraktisch oder unmöglich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Ausnehmung auf einem Teil der äußeren Oberfläche eines Wasserrohres gebildet. Die Ausnehmung kann durch Vor- Sprünge gebildet werden, die sich vom Wasserrohr weg erstrecken und entweder integral damit ausgebildet oder durch Schweißen, Hartlöten und ähnliches daran befestigt sind. Die Konfiguration des Wasserrohres ist derart, daß die Position der Ausnehmung, mit Bezug auf den Abstandshalter, durch elastische Verformung geändert werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Teil der Seitenwand des Wasserrohres, benachbart der Ausnehmung, ein gewisses Ausmäß der Elastizität. Es gibt genug Elastizitat, daß ein Teil der Seitenwand, nahe der Ausnehmung, nach innen verformt werden kann, um die Bewegung der Ausnehmung zu bewirken. Die Elastizität gestattet auch ein späteres Zurückspringen der Seitenwand in ihre im wesentlichen ursprüngliche Gestalt, um die Ausnehmung in Eingriff mit einem Teil des Abstandshalters zu bringen.
In den Figuren 11A-11C sind Vorsprünge 110 integral auf der äußeren Oberfläche eines Wasserrohres 112 ausgebildet. Die Wasserrohr-Vorsprünge 110 bilden eine Ausnehmung 114. Der Abstandshalter 116 hat eine Struktur mit einer Gestalt, die komplementär zur Ausnehmung ist. Das Wasserrohr wird axial, mit Bezug auf eine Abstandshalter-Baueinheit 116, verschoben, bis der Vorsprung 110 mit mindestens einem Teil der Abstandshalter-Baueinheit 116 in Berührung steht. Die fortgesetzte, axiale Bewegung des Wasserrohres führt zum elastischen Verformen des Wasserrohres 112, wie durch Eingriff mit einer Nockenoberfläche der Abstandshalter-Baueinheit. Dies verursacht die nach innen gerichtete Verformung der Seitenwand des Wasserstabes 112, wie am besten in Figur 11B ersichtlich. Die weitere axiale Bewegung des Wasserrohres, mit Bezug auf Abstandshalter-Baueinheit, gestattet das Ausrichten der Ausnehmung 114 mit dem Eingriffsteil der Abstandshalter-Baueinheit 116. Ein solcher Eingriff gestattet das elastische Zurückkehren der Seitenwand 112 des Wasserstabes in im wesentlichen ihre ursprüngliche Position, wie in Figur 11C ersichtlich. Das Wasserrohr 112 befindet sich nun in Eingriffs- oder Verriegelungs-Position, mit Bezug auf den Abstandshalter, wodurch die axiale Position der Abstandshalter-Baueinheit 116, mit Bezug auf das Wasserrohr 112, beibehalten wird.
Bevorzugte Umfangspositionen für Vorsprünge auf Wasserrohren sind in den Figuren 3, 5 und 7 abgebildet. In Figur 3 sind Vorsprünge 120 auf der äußeren Oberfläche des Wasserrohres 52 in einer der Rillen 86b ausgebildet. In Figur 5 ist ein Vorsprung 122 auf der äußeren Oberfläche einer der langen Seitenwandungen eines rechteckigen Wasserrohres 54 geschaffen. In Figur 7 ist ein Vorsprung 124 in einer der Rillen 102c des Wasserrohres 56 geschaffen. Das in Figur 9 gezeigte Wasserrohr wird vorzugsweise durch Rotation um die Längsachsen der runden Rohre an Abstandshalter-Konfigurationen befestigt, wie oben beschrieben.
Obwohl eine Anzahl möglicher Wasserrohr-Konfigurationen vorstellbar ist, können nur einige Konfigurationen in den erforderlichen Mengen genau und wirtschaftlich praktisch hergestellt werden. Die Wasserrohr-Konfigurationen 52, 54, 56 und 46, die in den Figuren 3, 5, 7 bzw. 9 gezeigt sind, können in Mengen genau und wirtschaftlich hergestellt werden. Ein Herstellungsverfahren schließt das Beginnen mit konventionell geförmten, vorzugsweise dünnwandigen (zum Beispiel 0,75-0,85 mm bzw. 30-35 mils) rohrförmigen Körpern, wie kreisförmigen oder quadratischen Körpern, ein. Die Körper werden durch Kaltziehen durch ein oder mehrere Werkzeuge, wie erforderlich, geformt, um die erwünschten Konfigurationen zu ergeben. Das Formen kann die Bildung von Rillen 86a, 86b, 102a-102d, Lappen 98a-98d oder Ecken, wie in den Figuren 3 bis 8 gezeigt, einschließen. Das in den Figuren 5 und 6 gezeigte Wasserrohr 54 kann auch durch Verbinden von zwei U-förmigen Kanälen, wie durch Schweißen, hergestellt werden.
Die in den Figuren 3 bis 10 gezeigten Konfigurationen repräsentieren brauchbare Konfigurationen in dem Sinn, daß sie die erwünschten Wirksamkeiten und Moderationen ergeben können und im praktischen Sinn herstellbar sind.
Die vorliegende Erfindung schließt ein Verfahren zum Bilden von Wasserrohren zur Schaffung einer Wasserrohr-Konfiguration ein, die praktisch ist und eine erwünschte Wirksamkeit und eine erwünschte Moderation ergibt. Frühere, im wesentlichen empirische Verfahren schlossen die Auswahl einer Wasserrohr-Konfiguration ein, ohne deren Wirksamkeit zu kennen. Viele andere Reaktor-Design-Betrachtungen hängen von der Auswahl der Wasserrohr-Konfiguration ab. Nachdem eine Auswahl einmal gemacht wurde, war ein erneutes Design so teuer, duß man bei einem Design blieb, bevor deren wesentliche Eigenschaften empirisch bestimmt werden konnten. Im Gegensatz dazu schließt die vorliegende Erfindung die Errechnung von Wasserrohr-Wirksamkeiten und die Ersetzung von Gitterpositionen für zwei oder mehr Ausführungsformen und die Auswahl einer Ausführungsform unter Anwendung der errechneten Wirksamkeiten und Ersetzungen ein. Auf diese Weise können Wasserrohre mit der Kenntnis ihrer Wirksamkeiten und ihres Platzbedarfes entworfen werden. Die Wahrscheinlichkeit eines späteren, schwierigen und teueren Neuentwurfes, in Ahängigkeit von der Auswahl der Wasserrohr-Konfiguration, ist daher verringert.
Für den Fachmann wird klar sein, daß eine Anzahl von Modifikationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen ausgeführt werden kann. Es können andere Querschnitts-Konfigurationen von Wasserrohren benutzt werden, vorausgesetzt, sie ergeben eine Wasserrohr-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,6, vorzugsweise mehr als etwa 0,7, und sie ergeben den erwünschten Moderationsbereich. Es könnte in einem einzelnen Brennelement mehr als ein Wasserrohr geschaffen werden, und es können verschiedene Formen von Wasserrohren in unterschiedlichen Brennelementen vorhanden sein, obwohl vorzugsweise die gleiche Form in allen Brennelementen benutzt wird. Wasserrohre können geschaffen werden, die die Eignschaften verschiedener, offenbarter Wasserrohre kombinieren.
Da Brennstoff für Brennstäbe typischerweise mit einem Standard-Querschnitt hergestellt wird, sind Brennstäbe typischerweise in der Art integral, als sie entweder jede einer Brennstabposition einnehmen, wie in Figur 2 gezeigt, oder sie vollständig abwesend sind. Es ist jedoch auch möglich, axial größere oder hinsichtlich der Konfiguration veränderte Brennstäbe zu schaffen, um Wasserstäbe unterschiedlicher Formen mit geeigneten Modifikationen hinsichtlich der Berechnung der Wirksamkeit, des Moderationsgrades und der ersetzten Strömungsfläche zu schaffen.
Es können andere Herstellungsverfahren für Wasserstäbe benutzt werden, einschließlich Gießen. Fräsen, Walzen, Heißziehen und ähnliche.
Die Befestigung eines Wasserrohres an einem Abstandshalter kann durch Verformung eines Ansatzes ohne beträchtliche Seitenwandverformung eines Wasserstabes oder durch Verformung eines Teiles der Abstandshalter-Baueinheit erfolgen, ohne daß eine Verformung des Wasserrohres erforderlich ist oder durch eine Kombination davon.

Claims

1. Kernbrennelement, umfassend:

eine erste Einrichtung (22) zum räumlichen Anordnen von Stäben (28), wobei die erste Einrichtung ein Gitter mit einer Vielzahl von Gitterpositionen (24) bildet, die eine Gitter-Schrittweite (26) aufweisen, um die Ausdehnung einer einzigen Gitterposition zu definieren;

eine Vielzil von Kernbrennstäben (28), die betriebsmäßig mit der ersten Einrichtung verbunden sind und niindestens einige der Gitterpositionen einnehmen;

eine sich längs erstreckende Rohranordnung, umfassend ein oder zwei hohle, sich längs erstreckende Rohre (46-56) mit einer Seitenwand, die einen Querschnitts- Innenbereich des oder der Rohre bildet, wobei die Robranordnung derart konfiguriert ist, daß sie im wesentlichen mehr als vier und weniger als neun Gitterpositionen (24) des Gitters einnimmt;

worin die Fläche des Querschnittsbereiches des oder der Rohre (46-56) die Anzil der eingenommenen Positionen der Rohre und die genannte Schrittweite eine Wasserstab-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,6 bilden, wobei die Wasserstab- Wirksamkeit folgendermaßen definiert ist:

(Rohr-Querschnittsfläche)/[(Ausdehnung einer einzelnen Gitterposition) (zahl der eingenommenen Gitterpositionen)].

2. Brennelement nach Anspruch 1, worin der innere Querschnittsbereich eine derartige Konfiguration aufweist, däß er zwei dreieckige Bereiche (76a,b) mit abgerundeten Ecken bildet, die kontinuierlich durch einen verengten Bereich (82) verbunden sind, wobei der verengte Bereich (82) durch zwei sich nach innen erstrekkende Längsvorsprunge (84a,b) gebildet wird, wobei die Fläche des Querschnittsbereiches, die Anzahl der eingenommenen Positionen und die Schrittweite eine Wasserstab-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,7 definieren.

3. Brennelement nach Anspruch 2, worin die Anzahl der eingenommenen Positionen sieben beträgt.

4. Brennelement nach Anspruch 1, worin der innere Querschnittsbereich derart konfiguriert ist, duß er vier sich nach innen erstreckende Längsvorsprunge (96ad) bildet, die dazwischen vier nach außen vorspringende Lappen (98a-d) bilden und worin die Fläche des Querschnittsbereiches, die Anzahl der eingenommenen Positionen und die Schrittweite eine Wasserstab-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,7 definieren.

5. Brennelement nach Anspruch 4, worin die Anzalil der eingenommenen Positionen fünf ist.

6. Brennelement nach Anspruch 1, worin der innere Querschnittsbereich eine derartige Konfiguration hat, daß er eine im wesentiichen rechteckige Gestalt (54) bildet und

worin die Fläche des Querschnittsbereiches, die Anzahl der eingenommenen Positionen und die Schrittweite eine Wasserstab-Wirksamkeit von mehr als etwa 0,7 definieren.

7. Brennelement nach Anspruch 6, worin die Anzahl der eingenommenen Positionen sieben ist.

8. Brennelement nach Anspruch 1, worin der innere Querschnittsbereich eine derartige Konfiguration hat, daß er zwei im wesentlichen kreisförmige Abschnitte (46) bildet, die im wesentlichen benachbart sind.

9. Brennelement nach Anspruch 8, worin die Anzahl der eingenommenen Positionen sieben ist.

10. Brennelement nach einem vorhergehenden Anspruch, weiter umfassend: mindestens einen Vorsprung (110) auf einem äußeren Abschnitt der Seitenwand;

worin die Seitenwand eine genügende Nachgiebigkeit aufweist, um das Verbiegen der Seitenwand nach innen zu gestatten, zumindest in einem Abschnitt, der im wesentlichen benachbart dem Vorsprung (110) liegt, um den Durchgang dieses Vorsprunges (110) an einem Hemmnis zu gestatten, wenn der Wasserstab axial benachbart dem Hemmnis bewegt wird.