DE69705614T2

DE69705614T2 - Brennstabbündel für siedewasserreaktor

Info

Publication number: DE69705614T2
Application number: DE69705614T
Authority: DE
Inventors: Sture Helmersson
Original assignee: Westinghouse Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1996-05-06
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JP3900438B2; JP2000510586A; SE9601710L; WO1997042634A1; SE506576C3; EP0897581B1; DE69705614D1; ES2159134T3; EP0897581A1; US6353652B1; SE506576C2; SE9601710D0

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor, welches eine Vielzahl von ersten Brennstäbe enthält mit einer ersten Länge, die sich über die Höhe des gesamten Brennelementes erstreckt, und einer Vielzahl von zweiten Brennstäben mit einer zweiten Länge, die sich nur über den unteren Teil des Brennelementes erstreckt.

Stand der Technik

Ein Kern in einem Siedewasserkernreaktor enthält eine Vielzahl von vertikal angeordneten Brennelementen. Ein Brennelement enthält eine Vielzahl von vertikalen Brennstäben, die zwischen einer unteren Verbundplatte und einer oberen Verbundplatte in einem Brennstabgitter angeordnet sind, welches gewöhnlich regelmäßig ist. Die Brennstäbe werden gehalten und fixiert durch eine Anzahl von Abstandshaltern, welche in Abstand voneinander längs des Brennelementes angeordnet sind. Die Brennstäbe enthalten eine Säule von Brennstoffpellets, die in einem Hüllrohr angeordnet sind. Die Brennstäbe sind von einem Brennstoffkanal umgeben, der normalerweise einen quadratischen Querschnitt hat.
Der Kern ist in Wasser getaucht, welches sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient. Während des Betriebes fließt das Wasser aufwärts durch das Brennelement, wobei ein Teil des Wassers in Dampf übergeht. Im folgenden bedeutet "Kühlmittel" das Wasser und den Dampf, welcher durch das Brennelement strömt. Zwischen den Brennstäben bilden sich Kanäle, sogenannte Kühlkanäle, in welchen Kühlmittel fließt. Im Querschnitt durch ein Brennelement mit einem regelmäßigen Brennstabgitter haben die Kühlkanäle im wesentlichen gleiche Querschnittsgröße, was von Vorteil ist, da hierdurch eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittelflusses und der Enthalpie im Brennelement erreicht wird.
Da das Kühlmittel in einem Siedewasserreaktor kocht, bildet sich ein Verhältnis von Wasser zu Dampf, welches in achsialer Richtung im Kern variiert. Am Boden des Kerns ist die Temperatur des Kühlmittels niedriger als die Siedetemperatur, und es befindet sich daher in einem einphasigen Zustand, das heißt nur als Wasser. Im oberen Teil des Kerns, wo das Kühlmittel die Siedetemperatur erreicht hat, geht ein Teil des Wassers in Dampf über, und das Kühlmittel befindet sich daher in einem zweiphasigen Zustand. Je weiter oben im Kern, desto höher der Prozentsatz von Dampf im Verhältnis zu dem Prozentsatz von Wasser. Im obersten Teil des Kerns sind die Brennstäbe nur mit einem dünnen Wasserfilm bedeckt, außerhalb dessen Dampf gemischt mit Wassertropfen strömt, ein sogenannter ringförmiger Strom.
Wenn der Wärmestrom von dem Brennstab sehr groß wird im Verhältnis zum Kühlmittelstrom, kann die Gefahr eines Austrocknens auftreten. Austrocknen bedeutet, daß der flüssige Film so dünn wird, daß er nicht mehr zusammenzuhalten vermag, sondern aufreißt, was trockene Wandabschnitte zur Folge hat. Dies führt lokal zu einer beträchtlichen Verschlechterung des Wärmeüberganges zwischen dem Brennstab und dem Kühlwasser mit der Folge, daß die Wandtemperatur des Brennstabs stark ansteigt. Die erhöhte Wandtemperatur kann zu Schäden führen mit ernsthaften Konsequenzen für die Brennstäbe. Daher ist es wünschenswert, das jeder Brennstab in einem Brennelement einen gleichmäßigen und dicken Wasserfilm um den gesamten Brennstab aufweist. Wenn der Wasserfilm an einer Stelle des Brennstabs zu dünn wird, steigt die Gefahr eines Austrocknens beträchtlich. Die Gefahr eines solchen lokalen Austrocknens bestimmt die Leistung, welche dem gesamten Brennelement entnommen werden kann.
Wegen des hohen Prozentsatzes an Dampf ist der Druckabfall im oberen Teil des Brennelementes höher als im unteren Teil. Je größer die Differenz im Druckabfall zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Brennelementes ist, desto größer ist die Gefahr, daß der Kern unstabil wird. Um dem Brennelement gute Stabilitätseigenschaften zu geben, ist es das Ziel, einen niedrigen Druckabfall im oberen Teil des Brennelementes zu haben.
Wenn der Prozentsatz an Dampf steigt, verschlechtert sich zusätzlich zur Kühlung auch die Neutronenmoderation, da Dampf gegenüber Wasser ein schlechterer Moderator ist. Die Reaktivität des Reaktors hängt ab von dem Verhältnis zwischen Brennstoff und Moderator. Um die Reaktivität zu vergrößern, muß das Wasser/Dampf-Verhältnis im oberen Teil des Brennelementes vergrößert werden. Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, einen Teil der Brennstäbe durch verkürzte Brennstäbe zu ersetzen. Verkürzte Brennstäbe haben einen kürzere achisale Länge als traditionelle Brennstäbe voller Länge, und sie sind im unteren Teil des Brennelementes angeordnet. Die US 5 229 068 beschreibt ein Brennelement, bei welchem die Mehrheit der Brennstäbe Stäbe voller Länge sind, das heißt, sie erstrecken sich von der unteren Verbundplatte bis zur oberen Verbundplatte, und eine kleinere Anzahl von Brennstäben verkürzte Brennstäbe sind, das heißt, sie erstrecken sich von der unteren Verbundplatte aus, enden aber etwas unter der oberen Verbundplatte.
Ein Problem, welches bei der Einführung von verkürzten Brennstäben auftritt, besteht darin, daß im oberen Teil des Brennelementes oberhalb der verkürzten Brennstäbe große offene Bereiche mit einem niedrigen Druckabfall gebildet werden. Dies bedeutet, daß angrenzende Kühlkanäle, in denen der Druckabfall höher ist, von Kühlmittel entleert werden, welches stattdessen in den großen offenen Bereich strömen. Eine Folge davon ist, daß an den Brennstäben, die sich in Gitterpositionen befinden, welche an einen verkürzten Brennstab angrenzen, der Wasserfilm an der Rückseite ausdünnt, das heißt, an der Seite, welche von dem verkürzten Brennstab abgewandt ist. Folglich ist die Gefahr eines Austrocknens am größten im oberen Teil an der Rückseite derjenigen Brennstäbe, welche den verkürzten Brennstäbe am nächsten sind.
Es ist bekannt, beispielsweise aus der oben genannten US- Patentschrift, den Druckabfall in dem großen offenen Kühlkanal durch verschiedene Vorrichtungen zu vergrößern und somit den Kühlmittelstrom derart zu beeinflussen, daß die Gefahr eines Austrocknens in den umgebenden Teilen des Brennstoffbündels kleiner wird. Die erreichte Verbesserung erfolgt daher auf Kosten eines vergrößerten Druckabfalls im oberen Teil des Brennelementes, was seinerseits zu einer Verschlechterung der Stabilitätseigenschaften des Brennelementes führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr eines Austrocknens eines Brennelementes in einem Siedewasserreaktor, welcher sowohl Brennstäbe voller Länge als auch verkürzte Brennstäbe enthält, zu reduzierung unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Stabilitätseigenschaften des Brennelementes.
Was das Brennelement gemäß der Erfindung kennzeichnet, ergibt sich aus den beigefügten Ansprüchen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Brennstäbe, welche an die großen offenen Bereiche angrenzen, die oberhalb der verkürzten Brennstäbe gebildet werden, das heißt diejenigen Brennstäbe, bei denen die Gefahr eines Austrocknens am größten ist, derart angeordnet, daß sie in ihrem oberen Teil derart in einer Richtung zu dem Zentrum der großen offenen Bereiche hin abgebogen sind, daß die großen offenen Bereiche in ihrer Fläche kleiner werden, während gleichzeitig die Fläche der angrenzenden Kühlkanäle größer wird. Auf diese Weise wird der Übertritt von Kühlmittel von benachbarten Kühlkanälen in die großen offenen Bereiche verkleinert, wodurch die Versorgung mit Kühlmittel an der Rückseite der abgebogenen Brennstäbe verbessert wird und die Dicke des Wasserfilms an der Rückseite der Brennstäbe zunimmt. Die Gefahr eines Austrocknens wird somit in dem Brennelement verkleinert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Gefahr eines Austrocknens verkleinert wird ohne die Anbringung zusätzlicher Vorrichtungen in dem Brennelement, welche zu einer Vergrößerung des Druckabfalls im oberen Teil des Brennelementes beitragen würden. Auf diese Weise bleiben die Stabilitätseigenschaften des Brennelementes erhalten.
In dem französischen Patentdokument mit der Veröffentlichungsnummer 2 603 416 wird ein Brennelement beschrieben, welches für einen Druckwasserreaktor bestimmt ist, der eine Vielzahl von ersten Brennstäbe mit einer ersten Länge hat, die sich über die Höhe des gesamten Brennelementes erstreckt, und eine Vielzahl von zweiten Brennstäben mit einer zweiten Länge hat, die sich nur im unteren Teil des Brennelementes erstreckt, wobei die Brennstäbe derart angeordnet sind, daß eine Anzahl von Kühlkanälen für den Transport von Kühlmittel zwischen den Brennstäbe gebildet wird. Bei diesem Brennelement sind die Brennstäbe derart abgebogen, daß man ein regelmäßiges Gitter sowohl im oberen Teil als auch im unteren Teil des Brennelementes erhält. Das regelmäßige Gitter in dem oberen Teil des Brennelementes hat weniger Positionen als das Gitter im unteren Teil des Brennelementes. Um diesen Übergang zu einem anderen regelmäßgen Gitter zu erreichen, ist eine große Majorität der Brennstäbe abzubiegen.
Mit einem Brennelement gemäß der Erfindung ist nicht beabsichtigt, ein regelmäßiges Gitter im oberen Teil des Brennelementes zu erreichen, sondern die Gefahr eines Austrocknens an bestimmten speziell exponierten Brennstäben zu reduzieren. Um dies zu erreichen, sind nur die speziell exponierten Brennstäbe abgebogen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein erstes Brennelement gemäß der Erfindung.
Fig. 2a zeigt einen Querschnitt A-A durch den unteren Teil des Brennelementes in Fig. 1.
Fig. 2b zeigt einen Querschnitt B-B durch den oberen Teil des Brennelementes in Fig. 1.
Fig. 3a zeigt einen Querschnitt durch den unteren Teil eines zweiten Brennelementes gemäß der Erfindung.
Fig. 3b zeigt einen Querschnitt durch den oberen Teil eines zweiten Brennelementes gemäß der Erfindung.
Fig. 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5 zeigt detaillierter einen abgebogenen Brennstab und die Konstruktion der Abstandshalter, welche den abgebogenen Brennstab umgeben.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispielen

Die Fig. 1, 2a und 2b zeigen ein Brennelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2a zeigt einen Querschnitt A-A durch den unteren Teil des Brennelementes in Fig. 1. Fig. 2b zeigt einen Querschnitt B-B durch den oberen Teil des Brennelementes in Fig. 1. Das Brennelement ist vom Siedewassertyp und hat einen langen rohrförmigen Behälter mit rechteckigem Querschnitt, der als Brennstoffkanal 2 bezeichnet wird. Der Brennstoffkanal 2 ist an beiden Enden offen, so daß er einen durchgehenden Strömungskanal bildet, durch welchen Kühlmittel fließt. Der Brennstoffkanal 2 ist mit einer hohlen Stützvorrichtung 11 mit kreuzförmigem Querschnitt versehen, welche an den vier Wänden des Brennstoffkanals befestigt ist. Zu der Stützvorrichtung gehören vier hohle Flügel und ein erweitertes kreuzförmiges Zentrum. Die Stützvorrichtung 11 bildet einen vertikalen kreuzförmigen Kanal 8, durch welchen nicht-siedendes Wasser durch das Brennelement nach oben strömt. Der Brennstoffkanal 2 mit der Stützvorrichtung 11 umgibt vier vertikale kanalförmige Teile 12a bis 12d, sogenannte Teilkanäle, mit einem im wesentlichen quadratischen Querschnitt. Jeder Teilkanal enthält ein Brennstoffbündel, zu welchem eine Vielzahl von parallel und voneinander beabstandeten Brennstäben 3a, 3b, 3c gehören. Zu einem Brennstab gehört eine Anzahl von zylindrischen Pellets 4 aus Urandioxyd, die aufeinander gestapelt sind und in einem Hüllrohr eingeschlossen sind. Die Brennstäbe in dem unteren Teil des Brennelementes, Fig. 2a, sind in einem symmetrischen 5 · 5 Gitter angeordnet, in welchem alle Brennstabpositionen mit Ausnahme einer mit Brennstäben besetzt sind. Die nicht besetzte Brennstabposition befindet sich innerhalb des kreuzförmigen Zentrums der Stützvorrichtung. Die Räume zwischen den Brennstäben in zueinander benachbarten Positionen werden vom Kühlmittel durchflossen und werden hier im folgenden als Kühlkanäle 14 bezeichnet. Die Kühlkanäle, die zwischen vier zueinander benachbarten Brennstäben gebildet werden, haben eine Querschnittsfläche A1.
Es sind drei verschiedene Typen von Brennstäben vorhanden, gerade Brennstäbe Voller Länge 3a, verkürzte Brennstäbe 3b und abgebogene Brennstäbe voller Länge 3c. Die verkürzten Brennstäbe 3b haben eine Höhe, welche mindestens der halben Höhe des Brennelementes entspricht, aber ihre Höhe kann bis zu 80% der Höhe des Brennelementes betragen. Derjenige Teil des Brennelementes, in welchem die verkürzten Brennstäbe angeordnet sind, wird in dieser Patentschrift als der untere Teil 10 des Brennelementes bezeichnet. Jedes Teilbündet enthält zwei verkürzte Brennstäbe 3b und drei abgebogene Brennstäbe 3c. Verkürzte Brennstäbe sind in dieser und den folgenden Figuren mit einem "P" bezeichnet. Abgebogene Brennstäbe sind in dieser Figur und den folgenden Figuren mit einem "B" bezeichnet.
Alle Brennstäbe 3a, 3b und 3c eines Brennstoffbündels werden am Boden durch eine untere Verbundplatte 6 zusammengehalten. Die geraden und abgebogenen Brennstäbe voller Länge 3a, 3c eines Brennstoffbündels werden oben von einer oberen Verbundplatte 5 zusammengehalten. Die Brennstäbe werden durch Abstandshalter 7a, 7b voneinander auf Abstand gehalten. Im unteren Teil 10 des Brennelementes werden die Brennstäbe 3a, 3b, 3c durch den Abstandshalter 7a in Position gehalten, und im oberen Teil des Brennelementes werden die Brennstäbe 3a, 3c durch den Abstandshalter 7b in Position gehalten. Die verkürzten Brennstäbe 3b enden unterhalb der oberen Verbundplatte 5, gewöhnlich in oder in der Nähe eines Abstandshalters.
Gemäß der Erfindung werden die abgebogenen Brennstäbe 3c in zu den verkürzten Brennstäbe 3b benachbarten Positionen angeordnet, und sie sind in Richtung zu den verkürzten Brennstäbe hin abgebogen. Die Abbiegung beginnt bei dem obersten der Abstandshalter 7a im unteren Teil des Brennelementes und endet bei dem untersten der Abstandshalter 7b im oberen Teil des Brennelementes. Vor und hinter der Abbiegung sind die Brennstäbe gerade. In diesem Ausführungsbeispiel findet die Abbiegung zwischen zwei aufeinander folgenden Abstandshaltern statt, was einen Vorteil darstellt, da man dann mit zwei verschiedenen Typen von Abstandshaltern auskommt. Wenn die Abbiegung jedoch groß ist, kann es notwendig sein, die Abbiegung auf den Raum zwischen mehreren Abstandshaltern zu verteilen.
Aus Fig. 2b wird deutlich, daß das Gitter im obereren Teil des Brennelementes nicht mehr regelmäßig ist. Oberhalb der verkürzten Brennstäbe wird ein offener Bereich 15 gebildet. Die abgebogenen Brennstäbe 3c sind nach innen zu diesem Raum hin abgebogen. Die Kühlkanäle, welche an den offenen Bereich angrenzen, haben somit eine Querschnittsfläche A2 in dem oberen Teil des Brennelementes, die größer ist als ihre Querschnittsfläche A1 in dem unteren Teil des Brennelementes. Die anderen Kühlkanäle haben eine Querschnittsfläche A1, die im wesentlichen in ihrer Längsrichtung konstant ist.
Die Fig. 3a und 3b zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem anderen Tpy eines Brennelementes. Dieses Brennelement hat zwei vertikale Wasserkanäle 16a, 16b mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Fig. 3a zeigt einen Querschnitt durch den unteren Teil des Brennelementes. Die Brennstäbe sind in einem symmetrischen 9 · 9 Gitter angeordnet. Das Brennelement hat acht verkürzte Brennstäbe 3b, und die anderen Brennstäbe 3a, 3c sind Stäbe voller Länge. Fig. 3b zeigt einen Querschnitt durch den oberen Teil des Brennelementes. Die vier Brennstäbe, die unmittelbar benachbart zu einem verkürzten Brennstab angeordnet sind, sind nach innen zu dem offenen Bereich hin abgebogen, welcher über dem verkürzten Brennstab gebildet wird. Die Kühlkanäle, welche an den offenen Bereich über dem verkürzten Brennstab angrenzen, haben einen Querschnittsfläche A4, A6 im oberen Teil des Brennelementes, welche größer als die Querschnittsfläche A3, A5 in dem unteren Teil des Brennelementes ist.
Die Fig. 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorhergehenden dadurch, daß die abgebogenen Brennstäbe 3c einen Durchmesser d1 haben, der größer ist als der Durchmesser d2 der geraden Brennstäbe voller Länge 3a. Ein Vorteil der Anordnung der abgebogenen Stäbe mit einem größeren Durchmesser besteht darin, daß der Abstand zwischen den Brennstäben verkleinert wird, was einen verminderten Querfluß von den angrenzenden Kühlkanälen zu dem offenen Bereich über den verkürzten Brennstäben zur Folge hat. In diesem Ausführungsbeispiel haben die verkürzten Brennstäbe 3b den gleichen Durchmesser d2 wie die geraden Brennstäbe voller Länge 3a. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die verkürzten Brennstäbe 3b den gleichen Durchmesser d1 wie die abgebogenen Brennstäbe 3b haben. Wenn die verkürzten Brennstäbe auch einen größeren Durchmesser haben, besteht ein Nachteil darin, daß man eine größere Menge von Uran in dem unteren Teil des Brennelementes erhält, wo die Moderation gut ist.
Fig. 5 zeigt genauer einen abgebogenen Brennstab 3c und den Aufbau der Abstandshalter, welche den abgebogenen Brennstab umgeben. Der abgebogene Stab ist an der unteren Verbundplatte und der oberen Verbundplatte befestigt, und der Stab ist zwischen zwei Abstandshaltern 7a und 7b abgebogen. Die von dem abgebogenen Stab ausgehenden Biegekräfte müssen von den Abstandshaltern aufgenommen werden, und zwar in erster Linie durch die beiden Abstandshalter 7a, 7b, welche am dichtesten am abgebogenen Teil 20 des Stabes liegen. Die meisten Abstandshaltertypen halten die Stäbe in Position mittels eines oder mehrerer fester Anlagestützten sowie eines oder mehrerer nachgiebiger Anlagestützen. Gemäß der Erfindung sind die festen Anlagestützen so angeordnet, daß sie die größten Biegekräfte aufnehmen, das heißt, an den konkaven Seiten des Stabes. Feste Stützen 21a, 21b sind an je einer Seite des abgebogenen Stabes angeordnet, wobei eine Anlagestütze 21a in dem Abstandshalter 7b oberhalb des abgebogenen Teils 20 angeordnet ist und die andere Anlagestütze 21b in dem Abstandshalter 7b unter dem abgebogenen Teil 20 angeordnet ist. An der gegenüberliegenden Seite der festen Anlagestützen sind nachgiebige Anlagestützen 22a, 22b angeordnet.

Claims

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor, bei dem während des Betriebes ein Kühlmittel durch das Brennelement fließt, zu welchem Brennelement gehören:

- ein oberer Teil,

- ein unterer Teil (10),

- eine Vielzahl von Brennstäben voller Länge (3a, 3c), die sich sowohl durch den unteren Teil als auch durch den oberen Teil des Brennelementes erstrecken,

- mindestens ein verkürzter Brennstab, der sich nur durch den unteren Teil des Brennelementes erstreckt, und

- ein freier Bereich (15) oberhalb des einen oder jedes verkürzten Stabes,

dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens die Hälfte der Stäbe voller Länge, die Positionen unmittelbar neben dem einen oder jedem verkürzten Stab einnehmen, derart angeordnet sind, daß sie nach innen in Richtung zu dem freien Bereich (15) über dem einen oder jedem verkürzten Stab abgebogen sind, und mindestens die Mehrzahl der Kühlkanäle, die dem freien Bereich über dem verkürzten Stab benachbart sind, eine erste Querschnittsfläche (A1) im unteren Teil (10) des Brennelements hat und eine zweite Querschnittsfläche (A2) im oberen Teil des Brennelementes hat, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist, und

- daß mindestens die Hälfte der Brennstäbe in dem Brennelement gerade sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Querschnittsfläche um mehr als 10% größer ist als die erste Querschnittsfläche.

3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Querschnittsfläche um 10 bis 40% größer ist als die erste Querschnittsfläche.

4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbiegung in einem Interval von 1 bis 10 mm, vorzugsweise in einem Interval von 2 bis 4 mm, erfolgt.

5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abgebogenen Stäbe einen ersten Durchmesser (d1) haben und die Mehrzahl der anderen Brennstäbe einen zweiten Durchmesser (d2) hat, wobei der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser ist.

6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von Abstandshaltern (7a, 7b) die Brennstäbe hält und in Abstand voneinander positioniert und in achsialer Richtung längs der Brennstäbe voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter feste Anlagestützen (21a, 21b) haben, die so angeordnet sind, daß sie die größten infolge der Abbiegung der Brennstäbe auftretenden Kräfte aufnehmen.