DE69709430T2

DE69709430T2 - Fluidabtrennungsvorrichtungen für Ablassvolumen in Kernbrennstabbündeln

Info

Publication number: DE69709430T2
Application number: DE69709430T
Authority: DE
Inventors: Gary Errol Dix; Bruce Matzner
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: US6765979B1; EP0800180B1; EP0800180A1; JPH1020062A; ES2167679T3; DE69709430D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Trennvorrichtungen für Strömungsmittel bzw. Fluide zum Einsatz in Entlüftungsvolumina innerhalb eines Kernbrennelementes und insbesondere auf Vorrichtungen zum Leiten von Flüssigkeit von einem Pfad durch das Entlüftungsvolumen seitlich nach außen in die Zwischenräume zwischen und auf benachbart umgebende Brennstäbe mit minimalem Druckabfall.
Ein typischer Siedewasser-Kernreaktor hat einen Reaktorkern aus einer Vielzahl von Brennelementen in seitlicher Beziehung zueinander. Kühlmittel/Moderator strömt innerhalb der Brennelemente und um die Brennstäbe innerhalb der Brennelemente nach oben, wobei die Flüssigkeit zum Erzeugen von Energie in Dampf umgewandelt wird.
In der US-PS 5,112,570 ist ein Brennelement mit einer Vielzahl von Teillängen-Brennstäben (PLRs) veranschaulicht. Diese PLRs sind auf der unteren Gitterplatte jedes Elementes abgestützt und erstrecken sich nach oben in Richtung auf die obere Gitterplatte. Die Stäbe enden jedoch vor der oberen Gitterplatte und typischerweise zwischen einem Paar von Abstandshaltern entlang dem Brennelement. Zwischen dem oberen Ende jedes PLR und der oberen Gitterplatte ist in der oberen Zweiphasen-Region des Brennelementes ein Entlüftungsvolumen gebildet. Dieses Entlüftungsvolumen empfängt während der Energie erzeugenden Operationen vorzugsweise Dampf von der Zweiphasen-Mischung aus Flüssigkeit und Dampf in der oberen Region des Brennelementes. Es sind viele Vorteile mit dem Einsatz von PLRs verbunden, einschließlich dem erhöhten Dampfanteil innerhalb des Entlüftungsvolumen und der Verringerung des Druckabfalls in der oberen Zweiphasen- Region des Elementes. Dies führt zu erhöhter Stabilität gegenüber thermisch-hydraulischen und nuklearen Instabilitäten.
In der JP-7,167,974 ist ein Brennelement für einen Kernreaktor offenbart, das im Allgemeinen wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 ausgebildet ist.
In der EP-A-0 619 581 ist eine Viefalt alternativer Verwirbelungsschaufeln in den Entlüftungsvolumina über den Teillängen-Stäben in Kernbrennelementen beschrieben.
Es sollte klar sein, dass die mechanische Ausführung der Brennstab-Abstandshalter eine lokale Reduktion der Strömungsfläche für den durch das Brennelement strömenden Dampf und die Flüssigkeit verursacht. Dies verursacht signifikante Druckabfälle, wenn die Strömung jeden Abstandshalter passiert. Durch Einsatz von PLRs werden die die Strömung blockierende Wirkungen eines oder mehrerer Brennstäbe voller Länge, die sich durch diese Abstandshalter oberhalb des PLR erstrecken, im Wesentlichen beseitigt. Wegen der Abwesenheit eines Brennstabes an einer Gitterstelle oberhalb eines oder mehrerer PLRs wird mehr Strömungsfläche durch den Abstandshalter mit sich daraus ergebender Verringerung des Druckabfalles über den Abstandshalter erhalten. Weiter tritt eine signifikante Strömungs-Ablenkung in die Pfade geringeren Druckabfalls oder Entlüftungsvolumina oberhalb der oberen Enden der PLRs auf. Es werden daher mehr Dampf und Flüssigkeit von umgebenden Strömungspassagen, d. h., den Zwischenregionen um die benachbarten Brennstäbe, in diese Entlüftungsvolumina gepumpt.
Die Schaffung von Entlüftungsvolumina, z. B. oberhalb von PLRs, und die sich daraus ergebenden Strömungablenkungen können jedoch eine gewisse Verringerung der kritischen Leistungsfähigkeit im Brennelement verursachen. Es kann sich zusätzliches Wasser in der Region des Entlüftungsvolumens oberhalb des PLR ansammeln und daher ohne Wärme erzeugenden Kontakt mit den übrigen Brennstäbe voller Länge aus dem Entltiftungsvolumen abgeleitet werden. Es wurden Trennvorrichtungen benutzt, um die dichte Flüssigkeit oder Wasser aus den Entlüftungsvolumina in einer im Allgmeinen seitlichen Richtung auf die Oberflächen und in die Zwischenregionen zwischen die Brennstäbe voller Länge zu treiben, um die Leistungsfähigkeit der Wärmeübertragung zu verbessern.
Solche Trennvorrichtungen haben im Allgemeinen die Form von Verwirbelungs-Vorrichtungen angenommen, die in dem Entlüftungsvolumen angeordnet sind. Diese Verwirbelungs-Vorrichtungen erzeugen ein spiralförmiges Strömungsmuster, das verursacht, dass die dichte Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft aus dem Entlüftungsvolumen seitlich nach außen getrieben wird. Solche Trennvorrichtungen wurden innerhalb der Abstandshalter angeordnet und sie haben sich von dort oberhalb oder unterhalb der Abstandshalter oder zu beiden Seiten der Abstandshalter erstreckt. Durch Anordnen der Trennvorrichtungen innerhalb der Abstandshalter erhöhen die Vorrichtungen jedoch den Druckabfall über die Abstandshalter zum gleichen Maße wie Brennstäbe voller Länge, die diese Gitterpositionen in den Entlüftungsvolumina eingenommen haben, berächtlich. Der Wert des Einführens von PLRs zur Verringerung des Druckabfalls entlang der Länge des Brennelementes wird daher durch Einsatz konventioneller Trennvorrichtungen in den Abstandshaltern oberhalb der oberen Enden der PLRs, die den durch den Einsatz der PLRs erzielten Druckabfall teilweise oder vollständig wieder zunichte gemacht, minimiert oder beseitigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brennelement für einen Kernreaktor geschaffen, umfassend:
mehrere Abstandshalter an axial beabstandeten Stellen entlang des Brennelementes und mit axial ausgerichteten Öffnungen;
mehrere langgestreckte Brennstäbe, die seitlich voneinander beabstandet sind und sich durch ausgewählte Öffnungen der Abstandshalter erstrecken;
wobei mindestens eine Öffnung in einem Abstandshalter entlang dem Brennelement ohne einen Stab ist und zusammen mit den umgebenden Stäben oberhalb dieses einen Abstandshalters ein Entlüftungevolumen bildet und
eine Trennvorrichtung in dem Entlüftungsvolumen, um Flüssigkeit seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der umgebenden Stäbe zu lenken, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Öffnung einen größeren Strömungsbereich als jede Öffnung in dem Abstandshalter aufweist, die einen Stab enthält, wobei die Trennvorrichtung vollständig oberhalb des einen Abstandshalters in dem Entlüftungsvolumen angeordnet ist, um den Druckabfall über diesen einen Abstandshalter zu minimieren, während Flüssigkeit auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der umgebenden Stäbe gerichtet wird.
Bei dieser Anordnung werden ein oder mehrere Trennvorrichtungen benutzt, ohne eine beträchtliche Zunahme des Druckabfalls über die Abstandshalter Flüssigkeit seitlich auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der Brennstäbe voller Länge zu dirigieren. Durch Anordnen des (der) Trennvorrichtung(en) oberhalb eines Abstandshalters und Belassen der Öffnung(en) durch den Abstandshalter an dieser(n) Gitterposition(en) des Entlüftungsvolumens kann eine Maximierung der Strömung durch den Abstandshalter bei einem minimalen Druckabfall erzielt werden, während gleichzeitig zusätzliche Flüssigkeit auf die Oberflächen der benachbarten Brennstäbe voller Länge gerichtet wird. Die Stelle jeder Trennvorrichtung oberhalb eines Abstandshalters maximiert somit die Strömungs-Ablenkung ohne beträchtliche Erhöhung beim Druckabfall. Maximaler Nutzen des Lenkens der Flüssigkeit auf benachbarte Brennstäbe voller Länge bei minimalem Druckabfall werden erzielt durch Anordnen der Trennvorrichtungen unmittelbar oberhalb der Abstandshalter. Durch stromlinienförmiges Ausbilden der Abstandshalter und der Trennvorrichtungen kann der Druckabfall entlang der Länge des Entlüftungsvolumens minimiert werden.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Trennvorrichtung auf einem Abstandshalter in einem Entlüftungsvolumen angeordnet und kann eine Verwirbelungs-Vorrichtung umfassen. Es sollte klar sein, dass die Trennvorrichtung in einem weiten Sinne nur die im Entlüftungsvolumen nach oben strömende Flüssigkeit seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der seitlich benachbarten Brennstäbe ablenken muss. Zu diesem Zweck können die Strömung richtende Vorrichtungen, wie Streifen, Schaufel und Ähnliches, benutzt werden. Die Trennvorrichtung kann ein unteres Ende unmittelbar oberhalb der Öffnung durch den Abstandshalter aufweisen (die Öffnung befindet sich in einer Gitterposition, die ansonsten einen Brenn- oder Moderatorstab abgestützt haben würde) und sich in einem kurzen oder verlängerten Abstand in Richtung des nächsten benachbarten oberen Abstandshalters erstrecken.
Wo die Trennvorrichtungen die bevorzugten Verwirbelungs-Vorrichtungen umfassen, kann jede Verwirbelungs-Vorrichtung aus einem einzelnen Materialstreifen bestehen, der zur Bildung eines spiralförmigen Strömungspfades im Entlüftungsvolumen verdreht ist, der genügt, um die schwerere Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume seitlich benachbarter Brennstäbe zu richten. Eine komplexere Konfiguration kann geschaffen werden, bei der zwei oder mehr verdrehte Streifen entlang ihren Achsen verbunden sind. So können, z. B., zwei flache Streifen an entgegengesetzten Enden geschlitzt, entlang ihren Achsen verbunden und bei senkrecht entlang ihrer Länge gehaltenen Streifen verdreht werden, um einen kreuzförmigen Querschnitt an irgendeiner axialen Stelle zu bilden. Dies kann als ein Vierschaufel-Verwirbelungsgerät charakterisiert werden. Werden drei Streifen verbunden und mit 60º- Winkeln verdreht entlang ihrer Länge gehalten, wird ein Sechsschaufel-Verwirbelungsgerät geschaffen. Es sollte klar sein, dass die erforderliche Minimallänge für eine Verwirbelungs-Vorrichtung mit zunehmender Anzahl von Schaufeln der Verwirbelungs-Vorrichtung abnimmt. Die Oberfläche für die Reibung nimmt jedoch mit der Zahl der Schaufeln zu und daher ist eine Verwirbelungs-Vorrichtung mit minimaler Länge zur Minimierung des Druckabfalles erwünscht. Die minimale Länge für die wirksame Trennung ist die, die sich in einer projizierten Fläche ergibt, die volle 360º abdeckt, die wiederum eine Funktion der Anzahl von Streifen und des Winkels ist, um den die Streifen verdreht sind. Für einen einzelnen verdrehten Streifen erfordert dies eine Länge gleich 180º der Rotation. Bei einer Doppelstreifen-Konfiguration einer Vierschaufel-Verwirbelungs-Vorrichtung ist die erforderliche Minimallänge gleich 90º Rotation, während eine Sechsschaufel-Verwirbelungs-Vorrichtung eine Länge gleich 60º der Rottion erfordert. Im Allgemeinen ist die für irgendeine Mehrschaufel-Verwirbelungs-Vorrichtung erforderliche Minimallänge die, die eine Schaufel-Rotation gleich 360º erzeugt, dividiert durch die Anzahl der Schaufeln, wodurch eine Länge der Verwirbelungs-Vorrichtung geschaffen wird, die den Druckabfall minimiert.
Die Trennvorrichtung kann eine Bohrer-Konfiguration umfassen, um eine spiralförmige Strömung im Entlüftungsvolumen zu verursachen. Ein oder mehrere Materialstreifen können um ihre Kante um einen zentralen Schaft gewickelt werden. Diese Art von Trennvorrichtung kann sich durch ein oder mehrere Abstandshalter erstrecken, wobei sich die Bohrerschaufel über die volle Länge auf dem Schaft oder in Intervallen entlang dem Schaft erstreckt, um den das spiralförmige Strömungsmuster erzeugenden Teil der Vorrichtung unmittelbar oberhalb jedes Abstandshalters zu lokalisieren. Es kann auch durch die obere Gitterplatte entfernbar sein.
Bei einer anderen Form der vorliegenden Erfindung wird klar sein, dass das Verdrehen oder Wickeln der Streifen typischerweise zu Konfigurationen mit horizontal projizierten Flächen führt, die kreisförmig sind. Werden die Trennvorrichtungen in Entlüftungsvolumina benutzt, dann erzeugt die quadratische Steigung der Brennelemente, die durch die Entfernung von ein oder mehreren Brennstäben aus einem oder mehreren Brennelement-Gitterpositionen erzeugt wird, eine Strömungs-Durchgangsfläche, die rechteckig ist, d. h., mehr quadratisch als kreisförmig. Unter Einsatz von Strömungs-Vorrichtungen mit projizierten Kreisflächen in jedem Entlüftungsvolumen erzeugt man wegen der den kreisförmigen Querschnitt umgehenden Strömung unwirksame Verwirbelungs-Stömungsmuster. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine deutliche Leistungsverbesserung durch Formen des Umfanges der Trennvorrichtung derart erzielt, dass die resultierende projizierte Fläche in allgemeiner Übereinstimmung mit der Gestalt des Entlüftungsvolumens liegt. Durch Bilden der Trennvorrichtungen, z. B. einer Verwirbelungs-Vorrichtung, mit äußeren Abmessungen, die anfänglich größer sind als die Strömungsdurchgänge und dann ihre maschinelle Bearbeitung auf die Endgestalt, um an die Querschnittsfläche des Entlüftungsvolumens anzupassen, können Umgehungspassagen beseitigt werden.
Es ist auch vorteilhaft, wenn ein spiralförmiges Strömungsmuster soweit wie möglich bis zum nächsten Abstandshalter hin bestehen bleibt, damit die Flüssigkeit weiter auf die Oberflächen der benachbarten Brennstäbe befördert wird. Dies kann man durch Erstrecken der Verwirbelungs- Vorrichtung bis zum nächsten Abstandshalter sicherstellen. Dies schließt jedoch wegen des nachteiligen Druckabfalls, der durch die verlängerte Verwirbelungs-Vorrichtung erzeugt wird, Nachteile ein. Der nachteilige Druckabfall kann durch Einsatz einer ungleichförmigen Verwirbelungs-Vorrichtung gemildert werden. So kann, z. B., das aggressive Verhalten der Verwirbelungs-Vorrichtung durch Ändern ihrer Steigung oder ihres Durchmessers, d. h., durch Verringern ihres Durchmessers oder Erhöhen der Steigung, in einer Richtung vertikal nach oben verringert werden.
Die Trennvorrichtungen können permanent an den Brennstab-Abstandshaltern befestigt werden. Dies schafft hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Eine solche permanente Befestigung schließt jedoch ein einfaches Entfernen darunter liegender PLRs aus. Die Trennvorrichtungen können daher individuell als entfernbare Vorrichtungen an einem Abstandshalter befestigt werden, oder sie können in Gruppen an einem entfernbaren zentralen Schaft oder einer anderen Stütze befestigt werden. Diese Stütze kann mehrere Schaufeln verdrehter Streifen-Vorrichtungen sowie Bohrer-Vorrichtungen tragen.
Wie oben ausgeführt, können Trennvorrichtungen, die spiralförmige Strömungsmuster erzeugen, oberhalb eines oder mehrerer PLRs in einem Brennelementgitter angeordnet werden. Werden mehr als eine solche Verwirbelungs-Vorrichtung benutzt, dann können die Verwirbelungs- Vorrichtungen eine Strömungs-Rotation in der gleichen Richtung oder in verschiedenen Richtungen der Strömungs-Rotation bewirken.
Die Trennvorrichtungen können vorzugsweise oberhalb aller Brennstab-Abstandshalter in Entlüftungsvolumina angeordnet sein, z. B. solchen, die über einem oder mehreren PLRs liegen. Bei vielen Designs verringert sich die lokale Leistung jedoch genügend am Oberteil des Brennelementes, sodass Trennvorrichtungen oberhalb des obersten Brennstab-Abstandshalters nicht benötigt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft Trennvorrichtungen zum Trennen von Flüssigkeit und Dampf in einem oder mehreren Entlüftungsvolumina eines Kernbrennelementes in einer Weise, die den Druckabfall entlang der Länge des Brennelementes minimiert und den Oberflächen und Zwischenräumen der Brennstäbe zusätzliche Flüssigkeit zuführt, um die Leistungsproduktion zu optimieren.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht im Querschnitt und mit weggebrochenen Abschnitten, die ein Kernbrennelement veranschaulicht, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilseitenansicht, die Brennstäbe voller und Teillänge zeigt, die sich durch eine Reihe von Abstandshaltern mit Trennvorrichtungen auf gewissen der Abstandshalter erstrecken,
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, die eine weitere Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, die noch eine weitere Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig. 5 veranschaulicht ein flaches Materialblech, das, wie in Fig. 5B, zur Bildung einer Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verdreht werden kann,
Fig. 5C eine Draufsicht der in Fig. 5B veranschaulichten Trennvorrichtung,
Fig. 6A und 6B entsprechende Seitenansichten von zwei Blechen, die eine allgemein kreuzfömige Verwirbelungs-Vorrichtung bilden, wobei die Bleche, wie in Fig. 6C, miteinander verbunden und, wie in Fig. 6D, verdreht werden,
Fig. 6E eine Draufsicht der Verwirbelungs-Vorrichtung von Fig. 6D,
Fig. 7A-7C Seitenansichten eines flachen Blechmaterials, das, wie in Fig. 7 D veranschaulicht, unter Bildung einer Mehrschaufel-Wirbelvorrichtung, die in Fig. 7E gezeigt ist, zusammengebaut ist,
Fig. 7F eine Draufsicht der Verwirbelungs-Vorrichtung von Fig. 7E,
Fig. 8A eine Draufsicht einer Verwirbelungs-Vorrichtung, wie sie in Fig. 7F veranschaulicht ist, bei der die seitlichen kreisförmigen Kanten quadratisch geschnitten sind, um die Verwirbelungs-Vorrichtung an die allgemein rechteckige Gestalt einesn Entlüftungsvolumens anzupassen,
Fig. 8B die Verwirbelungs-Vorrichtung, deren Kante geschnitten ist, um sie genauer an die Gestalt des Entlüftungsvolumens anzupassen und
Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, die noch eine andere Form der Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Bezugnehmend auf die Zeichnung, insbesondere auf Fig. 1, ist ein Kernbrennelement veranschaulicht, allgemein mit B bezeichnet, das einen Kanal C aufweist, der eine obere Gitterplatte UTP und eine untere Gitterplatte LTP umgibt. Innerhalb des Kanales C ist eine Vielzahl von Kernbrennstäben und Moderatorstäben R, abgestützt auf der unteren Gitterplatte LTP, angeordnet, wobei sich Stäbe nach oben in Richtung auf die obere Gitterplatte UTP und bis zu dieser erstrecken. Eine Vielzahl von Abstandshaltern S ist vertikal im Abstand voneinander über der Höhe des Brennelementes B angeordnet und bildet diskrete, vertikal ausgerichtete Öffnungen an Gitterpositionen in einer regulären Anordnung solcher Öffnungen, um die Stäbe R innerhalb des Bündels B aufzunehmen und gegen seitliche Bewegung mit Bezug aufeinander zu begrenzen. Im Allgemeinen sind sechs oder sieben Abstandshalter vorhanden, von denen nur drei an den Positionen 54, 55 und 56 gezeigt sind. Solche Abstandshalter können von der in US-PS 5,209,899 offenbarten Art sein. Es sollte aufgrund einer Betrachtung von Fig. 1 klar sein, das eine 9 · 9-Anordnung von Stäben R dargestellt ist, und dass andere Anordnungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, z. B. 8 · 8- oder 10 · 10-Anordnungen. Ein Handgriff H ist auch dargestellt, um das Brennelement mit Bezug auf einen nicht gezeigten Kernbrennstoffkern anzuheben.
Bei der Benutzung des Brennelementes B im Kern eines Nuklearreaktors, z. B. eines Siedewasserreaktors (SWR), tritt Kühlmittel/Moderator, z. B. Wasser, durch die untere Gitterplatte LTP ein und strömt um die Stäbe R herum nach oben. Während der Aufwärtsbewegung dieses Wassers wird Dampf erzeugt und eine Dampf und Flüssigkeits-Mischung strömt durch die obere Gitterplatte UTP. Während der Dampferzeugung begrenzt der Kanal C die Kühlmittel/Moderator-Strömung im Kernbrennelement und isoliert diese Strömung von einem Kern-Umgehungsvolumen außerhalb des Kanales C und zwischen ähnlich angeordneten, nicht gezeigten Elementen.
Wie der Fachmann feststellen wird, ist nicht jede Position des Gitters oder der Anordnung von Öffnungen über dem Abstandshalter von einem Brennstab R voller Länge eingenommen. So können, z. B., ein oder mehrere Wasserstäbe oder Moderatorstäbe durch den zentralen Abschnitt des Elementes B nach oben verlaufen und eine Anzahl von Gitterpositionen einnehmen. Zusätzlich können ein oder mehrere Teillängenstäbe PLR in ausgewählten Gitterpositionen im Brennelement B vorhanden sein. So kann sich, z. B., jeder Teillängenstab von der unteren Gitterplatte LTP aus im Brennelement durche inen Abstandshalter, z. B. den Abstandshalter 54, nach oben erstrecken und unmittelbar oberhalb des Abstandshalters 54 enden. Teillängenstäbe enden typischerweise in oder unmittelbar oberhalb des Abstandshalters zur Schaffung einer Abstützung für die ansonsten freien Enden des Teillängenstabes.
Wie am besten in Fig. 2 ersichtlich, lässt das Enden eines Teillängenstabes PLR oberhalb, z. B. des Abstandshalters 54, in einer gewissen Gitterposition der 9 · 9-Anordnung, ein Entlüftungsvolumen 10 oberhalb des oberen Endes des Teillängenstabes, das die übereinander angeordneten Öffnungen der darüber liegenden Abstandshalter einschließt, entstehen. Durch Einsatz von Teillängenstäben werden die Strömungsblockade-Wirkungen an jeder Gitterposition oberhalb des Teillängenstabes, die ansonsten durch einen Stab voller Länge eingenommem werden würden, beseitigt. Folglich wird zusätzliche Strömungsfläche durch das Entltiftungsvolumen 10 einschließlich der Öffnungen in den darüber liegenden Abstandshaltern bei der Gitterposition des darunter befindlichen Teillängenstabes geschaffen, was zusätzliche Strömungsfläche und eine Verringerung des Druckabfalls über die Abstandshalter bedingt. Diese Verringerung des Druckabfalls lenkt jedoch Strömung von den umgebenden Brennstäben voller Länge in das Entlüftungsvolumen 10, was eine Verringerung bei der kritischen Leistungsfähigkeit verursachen kann. Die Verringerung im Druckabfall ist jedoch sehr vorteilhaft, und gemäß der vorliegenden Erfindung werden Trennvorrichtungen benutzt, um die Flüssigkeitsströmung im Entlüftungsvolumen seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume um die Brennstäbe voller Länge herum abzulenken. Die vorliegende Erfindung maximiert vorteilhafterweise die Ablenkung an Stellen gerade oberhalb der Abstandshalter, während gleichzeitig der Druckabfall der durch diese Abstandshalter hindurchgehenden Strömung minimiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung und in einer bevorzugten Ausführungsform werden die Trennvorrichtungen vorteilhafterweise innerhalb des Entlüftungsvolumens gerade oberhalb der Abstandshalter und in der Gitterposition angeordnet, die ansonsten durch einen Stab voller Länge eingenommen werden würde, an der jedoch durch die Installation des Teillängenstabes in darunter liegenden Abstandshaltern in dieser Gitterposition ein Entluftungsvolumen geschaffen worden ist.
In Fig. 2 ist eine Trennvorrichtung 20 dargestellt, die in der spezifischen dargestellten Form eine Verwirbelungs-Vorrichtung umfasst. Der Zweck der Trennvorrichtung ist es, bei minimalem Druckabfall über den Abstandshalter Strömung seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der Brennstäbe voller Länge abzulenken. Die Trennvorrichtung 20 ist unmittelbar oberhalb der Öffnung 22 in dem Abstandshalter angeordnet, die ansonsten durch einen Stab voller Länge eingenommen worden wäre. Die Trennvorrichtung 20 erstreckt sich in der Erkenntnis, das der Druckabfall über die Vorrichtung um so größer ist, je größer die axiale Länge der Trennvorrichtung ist, in axialer Richtung im Entlüftungsvolumen 10 nur so weit, um die Wirkung der Strömungs-Ablenkung zu erzielen. Die Trennvorrichtung 20 hat daher vorzugsweise eine sehr kurze axiale Länge. Die Anordnung der Verwirbelungs-Vorrichtung unmittelbar oberhalb eines Abstandshalters ist bevorzugt, weil die höheren Strömungsmittel-Geschwindigkeiten, die sich aus der Abstandshalter-Strömungsablenkung ergeben, die Trennwirksamkeit verbessern und das durch die Verwirbelungs-Vorrichtung verursachte spiralförmige Strömungsmuster über einen beträchtlichen Abstand stromabwärts von der Verwirbelungs-Vorrichtung bestehen bleibt, was es gestattet, eine kürzere axiale Länge der Trennvorrichtungen zu benutzen. Wie dargestellt, kann die Trennvorrichtung 20 für jeden darüber liegenden Abstandshalter an jeder Gitterposition wiederholt werden, die Teil eines Entlüftungsvolumens bildet, z. B. dem Entlüftungsvolumen 10 oberhalb eines Teillängenstabes.
In Fig. 3 nimmt die Verwirbelungs-Vorrichtung 20a ein Entlüftungsvolumen oberhalb mehrerer Teillängenstäbe ein. Sie ist auch in Richtung des nächsten benachbarten Abstandshalters verlängert. Dies sorgt vorteilhafterweise für das Bestehenbleiben des spiralförmigen Strömungsmusters mit beträchtlichen Zentrifugalkräften soweit wie möglich in Richtung auf den nächsten darüber liegenden Abstandshalter, und auf diese Weise führt die Verwirbelungs-Vorrichtung weiter aggressiv Flüssigkeit auf die Oberflächen seitlich benachbarter Brennstäbe. Während diese Verlängerung der Trennvorrichtung in Richtung auf den nächsten Abstandshalter die Flüssigkeit/Dampf- Trennung vorteilhaft fördert, erhöht sie auch den Druckabfall. Die letztere Wirkung kann jedoch durch Einsetzen ungleichmäßiger Trennvorrichtungen, wie der in Fig. 9 gezeigten und weiter unten erläuterten Verwirbelungs-Vorrichtung mit ungleichmäßigem Durchmesser, gemildert werden.
In Fig. 4 kann eine andere Trennvorrichtung einen auf einem vertikalen Schaft 24 montierten Bohrer umfassen. Die spiralförmige Schaufel 26 des Bohrers ist so im wesentlichen an der Kante um den Schaft 24 gewickelt, wobei die Kante der spiralförmigen Schaufel 26 am Schaft 24 befestigt ist. Es können mehrere Bänder auf Kante um den zentralen Schaft 24 benutzt werden. Während die Erstreckung eines Bohrerschaftes durch die obere Gitterplatte und durch die Öffnungen der Abstandshalter den Druckabfall erhöht, wenn Kühlmitztel/Moderator durch die Öffnungen der Abstandshalter strömt, können die Querschnitts-Abmessungen des Bohrerschaftes minimiert werden, um den Druckabfall mit dem gleichzeitigen Vorteil zu minimieren, dass der Bohrer durch die obere Gitterplatte aus dem Brennelement entfernt werden kann. Weiter können sich die Schaufel(n) des Bohrers über die gesamte Länge des Schaftes 24 erstrecken, tun dies jedoch vorzugsweise nicht. Bohrer-Schaufelsegmente können auf dem Schaft zur Anordnung unmittelbar oberhalb der Abstandshalter im Entlüftungsvolumen 10 angeordnet werden. Die Bohrer-Schaufelsegmente brauchen sich auch nur einen kurzen Abschnitt axial über die Abstandshalter zu erstrecken, ähnlich den Distanz-Verwirbelungs-Vorrichtungen 20, die sich oberhalb der Abstandshalter erstrecken, wie in Fig. 2 veranschaulicht.
In den Fig. 5A-5C ist eine bevorzugte Form von Trennvorrichtung veranschaulicht, die eine Verwirbelungs-Vorrichtung umfasst. In dieser einfachsten Form einer Verwirbelungs-Vorrichtung wird klar sein, dass ihre minimale axiale Länge zur wirksamen Trennung die ist, die sich in einer horizontal projizierten Fläche ergibt, die volle 360º abdeckt. Die Verwirbelungs-Vorrichtung 20 kann daher einen einzigen Materialstreifen 27 umfassen, der zwischen seinen gegenüberliegenden Enden um 180º gedreht ist, um eine spiralförmige Schaufel zu bilden, und dadurch in dem Entlüftungsvolumen ein spiralförmiges Strömungsmuster zu erzeugen. In Fig. 5C bildet die Peripherie der Verwirbelungs-Vorrichtung eine projizierte kreisförmige Ebene und somit ist der Hauptteil der Fläche oder des Entlüftungsvolumens, das von der Verwirbelungs-Vorrichtung eingenommen wird, dem spiralförmigen Strömungsmuster unterworfen.
Komplexere Konfigurationen von Trennvorrichtungen, z. B. zwei oder mehr verdrehte Streifen zur Bildung komplexerer Verwirbelungs-Vorrichtungen können geschaffen werden. In den Fig. 6A-6E sind zwei Materialstreifen 29 und 31 an ihren gegenüberliegenden Enden geschlitzt und entlang ihren Achsen ineinander geschoben. Die Streifen 29 und 31 werden entlang ihrer Länge senkrecht zueinander gehalten und um 90º gedreht, um die volle projizierte horizontale Fläche von 360º zu ergeben, die für eine wirksame Trennung erforderlich ist.
In den Fig. 7A-7F sind drei Streifen von Blechmaterial 33, 35 und 37 benachbart ihren Enden, wie gezeigt, geschlitzt und entlang ihren Achsen verbunden, um anfänglich die Streifen um 60º voneinander zu halten. Durch Drehen der Streifen um 60º wird eine projizierte Fläche über volle 360º geschaffen, wie in Fig. 7F gezeigt. Im Falle von drei Streifen ist die Länge des ungeschlitzten Materials in jedem Streifen ein Drittel der Höhe der Streifen. Das ungeschlitzte Material befindet sich am Oberteil, in der Mitte und am Boden bei den drei Streifen, um das gegenseitige verriegelnde Zusammenbauen zu gestatten. Die gleiche Design-Technik wird bei zunehmender Anzahl von Streifen benutzt.
Um die Wirksamkeit der Verwirbelungs-Vorrichtung zu verbessern, sollte klar sein, dass bei der allgemeinen rechteckigen Anordnung von Brennstäben das Entlüftungsvolumen 10 eine allgemein rechteckige Konfiguration hat, d. h., quadratisch oder rechteckig ist. Bei der typischen projizierten ebenen Kreisfläche der Verwirbelungs-Vorrichtung, z. B. der Verwirbelungs-Vorrichtung von Fig. 2, bilden die Regionen zwischen den Ecken der quadratischen Entlüftungsvolumen-Fläche und der projizierten kreisförmigen ebenen Fläche der Verwirbelungs-Vorrichtung Umgehungs- Regionen für die Strömung. Nach oben in das Entlüftungsvolumen eintretende Strömung kann daher die Verwirbelungs-Vorrichtung umgehen. Um wirksamere Wirbelströmungsmuster ohne Umgehungsströmung oder mit nur minimaler Umgehungsströmung zu schaffen, kann der Umfang der Trennvorrichtung so geformt werden, dass er allgemein an den Umfang des durch die benachbarten Brennstäbe gebildeten Entlüftungsvolumens angepasst ist. Das allgemein rechteckige Entlüftungsvolumen kann daher im Wesentlichen in der ebenen Fläche durch die Trennvorrichtung abgedeckt sein. Um dies zu bewerkstelligen, wird, wie in Fig. 8A dargestellt, eine Verwirbelungs-Vorrichtung, z. B. von der in den Fig. 7A-7F veranschaulichten Art, gebildet, deren Durchmesser der längsten Diagonalen der Fläche des Entlüftungsvolumens entspricht. Die Kreiskanten 41 der die Verwirbelungs-Vorrichtung bildenden Streifen können zur Bildung einer linearen Verwirbelungs- Vorrichtung mit einer allgemein rechteckigen projizierten Ebene entfernt werden. Der Umfang der Trennvorrichtung wird daher so geformt, dass die resultierende projizierte Fläche in der Ebene genau dem Strömungsdurchgang im Entlüftungsvolumen angepasst ist, wodurch eine Umgehungsströmung um die Kanten der Trennvorrichtung im Wesentlichen beseitigt ist. Es sollte klar sein, dass der kreisförmige Querschnitt der benachbarten Brennstäbe verursacht, dass die Kanten der Entlüftungsvolumina nicht-lineare Gestalten haben. Für maximale Wirksamkeit der Verwirbelungs-Vorrichtung kann die projizierte Fläche der Verwirbelungs-Vorrichtungen an diese Gestalten angepasst werden, wie in Fig. 8B gezeigt. Die Kanten der Trennvorrichtung können daher in Draufsicht, wie bei 49 dargestellt, abgerundet sein.
In Fig. 9 ist eine Trennvorrichtung gezeigt, z. B. in Form einer Verwirbelungs-Vorrichtung 50, die sich über einen beträchtlichen Abstand oberhalb des Abstandshalters erstreckt, auf dem die Verwirbelungs-Vorrichtung montiert ist. Ein nachteiliger Druckabfall, der durch eine axial verlängerte Verwirbelungs-Vorrichtung erzeugt wird, kann durch Benutzen einer ungleichförmigen Trennvorrichtung gemildert werden. In dieser Form kann die Verwirbelungs-Vorrichtung 50 in horizontaler Abmessung, d. h., im Durchmesser, abnehmen, wobei der Abstand oberhalb des Abstandshalters oder der spiralförmige Gang variieren kann. Spezifisch hat die in Fig. 9 veranschaulichte Verwirbelungs-Vorrichtung einen fortschreitend abnehmenden Durchmesser mit zunehmendem Abstand zum Abstandshalter, auf dem die Verwirbelungs-Vorrichtung montiert ist. Die stufenweise Progression abnehmender seitlicher Ausdehnung bei zunehmendem Abstand oberhalb des Abstandshalters kann ebenfalls geschaffen werden.
Aus dem Vorhergehenden wird klar sein, dass Trennvorrichtungen für hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit vorzugsweise direkt auf die Abstandshalter montiert werden. Dies verhindert jedoch die leichte Entfernung des darunter liegenden Teillängenstabes. Als eine Alternative können die Trennvorrichtungen entfernbar an dem Abstandshalter befestigt sein oder sie können in Gruppen an einem entfernbaren zentralen Schaft oder einer anderen strukturellen Stütze befestigt sein. Die strukturelle Stütze kann die Trennvorrichtungen, z. B. in Form von Verwirbelungs-Vorrichtungen, in axial beabstandeten Positionen entlang des Trägers aufweisen, die bei Einführung in das Brennelement mit den Abstandshaltern an einer Stelle unmittelbar oberhalb der oberen Oberfläche jedes Abstandshalters ausgerichtet sind. Als eine weitere Alternative bei Einsatz von mehr als einer Trennvorrichtung können unterschiedliche Strömungsmuster erzielt werden. So können, z. B., die Verwirbelungs-Vorrichtungen so angeordnet sein, dass sie die Strömung in einer gemeinsamen oder in entgegengesetzten Richtungen drehen. Alternativ können verschiedene Strömungsmuster in entgegengesetzten Richtungen geschaffen werden. In einem allgemeinen Sinn besteht die erforderliche Charakteristik einer Trennvorrichtung gemäß deer Erfindung darin, dass die Vorrichtung der Strömung eine seitliche oder horizontale Komponente verleiht. Zusätzlich zu Verwirbelungs-Vorrichtungen und Bohrern, die aus einer oder mehreren Schaufeln gebildet sind, die zur Bildung eines spiralförmigen Musters und eines sich daraus ergebenden spiralförmigen Strömungsmusters verdreht sind, können die Trennvorrichtungen daraus diskrete Schaufeln mit seitlich nach außen erweiterten Kanten umfassen, wie, z. B., die sich erweiternden glockenförmigen Kegel oder nach außen gerichtete Ablenkbleche, wie sie in der US-PS 5,416,812 beschrieben und veranschaulicht sind.

Claims

1. Brennelement (B) für einen Kernreaktor, umfassend:

mehrere Abstandshalter (S&sub4;-S&sub6;) an axial beabstandeten Stellen entlang des Brennelementes und mit axial ausgerichteten Öffnungen;

mehrere langgestreckte Brennstäbe (R), die seitlich voneinander beabstandet sind und sich durch ausgewählte Öffnungen der Abstandshalter erstrecken;

wobei mindestens eine Öffnung (22) in einem Abstandshalter entlang dem Brennelement ohne einen Stab ist und zusammen mit den umgebenden Stäben oberhalb dieses einen Abstandshalters ein Entlüftungevolumen (10) bildet und

eine Trennvorrichtung (20) in dem Entlüftungsvolumen, um Flüssigkeit seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der umgebenden Stäbe zu lenken, dadurch gekennzeichnet, dass

diese eine Öffnung (22) einen größeren Strömungsbereich als jede Öffnung in dem Abstandshalter aufweist, die einen Stab enthält, wobei die Trennvorrichtung vollständig oberhalb des einen Abstandshalters in dem Entlüftungsvolumen angeordnet ist, um den Druckabfall über diesen einen Abstandshalter zu minimieren, während Flüssigkeit auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der umgebenden Stäbe gerichtet wird.

2. Brennelement (B) nach Anspruch 1, worin sich die mehreren Stäbe (R) in einer Matrix befinden, die das Strömen von Flüssigkeit um die Stäbe von einem unteren Ende des Brennelementes zu einem oberen Ende davon ermöglicht;

die mehreren Abstandshalter (S&sub4;-S&sub6;) Öffnungen zur Aufnahme der Brennstäbe aufweisen und diese Brennstäbe beabstandet voneinander in der Matrix halten, wobei jede dieser Öffnungen mit einem durch die Öffnung hindurchgehenden Stab einen ersten Strömungsbereich zum Hindurchlassen von Strömungsmittel durch den Abstandshalter bildet;

mindestens einer der Stäbe ein Teillängenstab (PLR) ist, der in einem oberen Ende unterhalb der oberen Enden der umgebenden Brennstäbe endet und hinsichtlich der umgebenden Brennstäbe das Entlüftungsvolumen bildet, das oberhalb des Teillängenstabes liegt;

wobei mindestens einer der Abstandshalter, der oberhalb des Teillängenstabes angeordnet ist, eine durchgehende Öffnung aufweist, die teilweise das Entlüftungsvolumen bildet, die Trennvorrichtung (20) oberhalb dieses einen Abstandshalters in dem Entlüftungsvolumen oberhalb des Teillängenstabes angeordnet ist, um Flüssigkeit seitlich nach außen auf die Oberflächen und in die Zwischenräume der umgebenden benachbarten Brennstäbe zu richten, wobei die Öffnung durch den einen Abstandshalter einen größeren Strömungsbereich als den ersten Strömungsbereich aufweist, um den Druckabfall über den ersten Abstandshalter zu minimieren.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Öffnung durch den einen Abstandshalter einen seitlichen Bereich über die gesamte Höhe der Öffnung durch den einen Abstandshalter aufweist, der im Wesentlichen dem seitlichen Bereich des Entlüftungsvolumens entspricht.

4. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung ein unteres Endstück aufweist, das in einer Höhe innerhalb des Brennelementes angeordnet ist, die nicht tiefer liegt als die obere Oberfläche des einen Abstandshalters.

5. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung ein unteres Endstück aufweist, das in einer Höhe innerhalb des Brennelementes unmittelbar oberhalb des einen Abstandshalters angeordnet ist.

6. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung (20) eine Wirbelvorrichtung (20a) zum Erzeugen eines spiralförmigen Strömungsmusters umfasst.

7. Trennvorrichtung nach Anspruch 6, worin die Wirbelvorrichtung mindestens zwei Streifen (29, 31) umfasst, die um gemeinsame zentrale Achsen verdrillt und entlang diesen Achsen verbunden sind.

8. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung (20) einen Bohrer mit einem zentralen Schaft (24) und mindestens einem Flügel (26) umfasst, der um den Schaft herum angeordnet ist, wobei eine Kante des Flügels an dem Schaft befestigt ist.

9. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin das Entlüftungsvolumen einen allgemein rechteckigen horizontalen Querschnitt aufweist, die Trennvorrichtung (49) eine Wirbelvorrichtung umfasst, die mindestens eine verdrillte Schaufel mit einer horizontal projizierten Fläche einschließt, die allgemein dem Querschnitt des Entlüftungsvolumens entspricht, wodurch die Strömung durch das Entlüftungsvolumen, die die Wirbelvorrichtung umgeht, minimiert wird.

10. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung (20) an einem der Abstandshalter (S&sub4;-S&sub6;) befestigt ist.

11. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung (20) an einer Stützstruktur befestigt ist, die von dem Brennelement entfernbar ist.

12. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die Trennvorrichtung (50) sich vertikal oberhalb des einen Abstandshalters erstreckt und derart konfiguriert ist, dass sie eine andere Strömungsgröße seitlich nach außen in anderen Höhen entlang der Vorrichtung schafft.

13. Brennelement nach Anspruch 2 mit mehreren Abstandshaltern oberhalb der Teillängenstäbe, wobei jeder dieser Abstandshalter oberhalb des Teillängenstabes eine durchgehende Öffnung aufweist, die teilweise das Entlüftungssvolumen bildet, eine Trennvorrichtung oberhalb jedes dieser Abstandshalter oberhalb des Teillängenstabes in der Entlüftungsöffnung angeordnet ist, wobei die Öffnungen durch die Abstandshalter oberhalb des Teillängenstabes größere Strömungsbereiche als die ersten Strömungsbereiche aufweisen, um den Spannungsabfall über diese Abstandshalter zu minimieren.