DE69718316T2

DE69718316T2 - Kernbrennstoffeinheit

Info

Publication number: DE69718316T2
Application number: DE69718316T
Authority: DE
Inventors: Olov Nylund
Original assignee: Westinghouse Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: US6327324B2; WO1997049094A1; ES2187787T3; SE506820C2; EP0906625A1; EP0906625B1; SE9602449D0; US20010014135A1; JP2000513093A; SE9602449L; DE69718316D1; JP3913784B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

In einem Kernreaktor, der durch leichtes Wasser moderiert wird, ist der Brennstoff in der Gestalt von Brennstäben vorhanden, von denen jeder einen Stapel Tabletten aus Kernbrennstoff enthält, der in einem Hüllrohr angeordnet ist. Ein Brennstoffbündel enthält eine Vielzahl von Brennstäben, die parallel zueinander in einem bestimmten definierten, normalerweise symmetrischen Muster, einem sogenannten Gitter, angeordnet sind. Die Brennstäbe werden oben von einer oberen Verbundplatte und unten von einer unteren Verbundplatte gehalten. Um die Brennstäbe voneinander auf Distanz zu halten und um zu verhindern, daß sie sich verbiegen oder schwingen, wenn der Reaktor in Betrieb ist, ist eine Anzahl von Abstandshaltern in Längsrichtung des Brennstabbündels angeordnet. Ein Brennelement enthält ein oder mehrere Brennstabbündel, von denen sich jedes längs des Hauptteils der Länge des Brennelements erstreckt. Zusammen mit einer Anzahl von weiteren Brennelemente ist das Brennelement vertikal im Reaktorkern angeordnet. Der Kern ist in Wasser getaucht, welches sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient.
Da das Kühlmittel in einem Siedewasserreaktor kocht, bildet sich ein Verhältnis zwischen Wasser und Dampf, welches sich in achsialer Richtung des Kerns ändert. Am Boden des Kerns ist die Temperatur des Kühlmittels kleiner als die Siedetemperatur und befindet sich somit in einem einphasigen Zustand, das heißt nur als Wasser. Am oberen Ende des Kerns, wo das Kühlmittel die Siedetemperatur erreicht hat, wird ein Teil des Wassers in Dampf übergeführt, und das Kühlmittel befindet sich somit in einem Zweiphasen-Zustand. Je höher im Kern, umso größer ist der Prozentsatz an Dampf im Verhältnis zum Prozentsatz an Wasser. Im obersten Teil des Kerns sind die Brennstäbe nur mit einem dünnen Wasserfilm bedeckt, außerhalb dessen Dampf gemischt mit Wassertropfen strömt, der sogenannte Ringfluß.
Wenn der Wärmefluß von einem Brennstab sehr groß wird im Verhältnis zu dem Kühlmittelfluß, besteht die Gefahr eines Austrocknens. Austrocknen bedeutet, daß der Flüssigkeitsfilm so dünn wird, daß er seinen Zusammenhalt verliert und aufbricht und trockene Wandabschnitte auftreten, was lokal zu einem beträchtlich verschlechterten Wärmeübergang zwischen dem Brennstab und dem Kühlwasser führt und eine stark erhöht Wandtemperatur des Brennstabes zur Folge hat. Die erhöhte Wandtemperatur kann zu Schäden mit ernsten Konsequenzen für den Brennstab führen. Die Gefahr eines Austrocknens besteht im wesentlichen im oberen Teil des Brennelements.
Wegen seiner geringeren Dichte ist Dampf ein viel schlechterer Moderator als Wasser, was beim Betrieb eines Reaktors bedeutet, daß die Moderation um so schlechter ist je höher man sich im Brennelement befindet. Im Kern sind die Brennelemente von Wasser umgeben, welches eine gute Moderation der Brennstäbe nahe dem Brennelementkasten bewirkt. Bei Brennstäben im zentralen Teil des Brennelements ist die Moderation dagegen schlechter. Vor allem ist die Moderation unzureichend im zentralen Teil des obersten Abschnittes des Brennelements. Die Reaktivität des Reaktors hängt ab von dem Verhältnis von Uran zu Moderator. Um ein optimales Verhältnis von Uran zu Moderator zu erhalten, sollte die Uranmenge kleiner sein, und der Gitterraum, das ist der freie Raum zwischen den Brennstäben, sollte im oberen Teil des Brennelements größer als im unteren Teil des Brennelements sein. Faktoren, die wegen ihrer Wichtigkeit bei der Optimierung des Brennelements zu berücksichtigen sind, sind zusätzlich zu der Reaktivität und dem Austrocknen die Begrenzung der linearen Last der Brennstäbe, das Abschaltmarginal und der Druckabfall.
Ein ständig wiederkehrendes Problem bei Siedewasserreaktoren ist, wie das Brennelement sowohl achsial als auch seitlich mit Rücksicht auf die Uranmenge und den Gitterraum zu optimieren ist. In seitlicher Richtung kann eine Optimierung beispielsweise durch die Wahl des Durchmessers der Brennstäbe, des Abstandes zwischen den Brennstäben und der Anzahl der Brennstäbe erreicht werden. Ein wohlbekanntes Verfahren zur Erreichung einer achsialen Optimierung besteht darin, einige der Brennstäbe durch verkürzte Brennstäbe zu ersetzen. Verkürzte Brennstäbe sind in achsialer Richtung kürzer als die herkömmlichen Brennstäbe voller Länge. Ein anderes Verfahren zur Erzielung einer Optimierung der Uranmenge sowohl in achsialer als auch seitlicher Richtung besteht in der Variierung der Anreicherung des Brennstoffs in den Brennstäben, was in der Patentschrift DE 40 14 861 A1 gezeigt ist. Es wird ein Brennelement gezeigt, welches Brennstäbe mit unterschiedlicher Anreicherung in unterschiedlichen Gitterpositionen hat, und bestimmte Brennstäbe haben meherere unterschiedliche Anreicherungsgehalte in achsialer Richtung.
Ein Nachteil der oben genannten Optimierungsverfahren besteht darin, daß sie nicht in der Lage sind, getrennt ausreichend wirksame Optimierung von Brennstoff und Gitterraum zu schaffen. Bei einem herkömmlichen Brennelement ist es schwierig, eine gute Optimierung in einfacher Weise zu schaffen. Eine Lösung dieses Problems wird offenbart in der PCT/SE95/01478 (Publ. Nr. WO 96/20483), die ein flexibeles Brennelement beschreibt, welches in einer einfachen Weise sowohl achsial wie in seitlicher Richtung optimiert werden kann. Das flexible Brennelement enthält eine Vielzahl von übereinander gestapelten Brennstoffeinheiten, von denen jede eine Vielzahl von Brennstäben enthält, die sich zwischen einer oberen Verbundplatte und einer unteren Verbundplatte erstrecken. Die Brennstoffeinheiten sind von einem gemeinsamen Brennelementkasten mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt umgeben.
Die Notwendigkeit einer achsialer und seitlichen Optimierung schwankt zwischen verschiedenen Reaktoren und bei verschiedenen Betriebsbedingungen. Es ist daher wünschenswert in der Lage zu sein, jedem individuellen Kunden ein Brennelement anbieten zu können, welches für die speziellen Bedürfnisse jedes individuellen Kunden optimiert ist. Ein Problem besteht darin, daß es sehr kostspielig sein kann, verschiedene Kunden mit verschiedenen Brennelemente zu beliefern, da dies eine große Anzahl verschiedener Komponenten erfordert, die sowohl hergestellt als auch auf Lager gehalten werden müssen.
Die DE-A-22 04 0168 offenbart ein Brennelement, welches eine Vielzahl von Brennstäben hat. Die Brennstäbe sind in einem Gitter angeordnet und erstrecken sich zwischen einer oberen Verbundplatte und einer unteren Verbundplatte. Die Brennstäbe sind von einem Brennelementkasten umgeben. Das Brennelement enthält eine Vielzahl von übereinandergestapelten Brennstoffeinheiten, von denen jede eine obere Verbundplatte, eine untere Verbundplatte und eine Vielzahl von Brennstäben enthält, die zwischen der oberen Verbundplatte und der unteren Verbundplatte angeordnet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement, welches sich sowohl in achsialer als auch seitlicher Richtung entsprechend den Bedürfnissen der individuellen Kunden einfach optimieren läßt, aber dennoch in einer einfachen und rationellen und damit wirtschaftlichen Weise hergestellt werden kann.
Was das Brennelement gemäß der Erfindung charakterisiert, ergibt sich aus den angefügten Ansprüchen.
Ein Brennelement gemäß der Erfindung kann aufgebaut sein aus wenigen, vorzugsweise drei, standardisierten Typen von Brennstäben, die sich voneinander dadurch unterscheiden, daß sie unterschiedliche äußere Durchmesser und unterschiedliche Uranmengen enthalten. Mit drei Typen von Brennstäben und einer großen Anzahl von Brennstoffeinheiten, vorzugsweise mindestens sieben Brennstoffeinheiten in dem Brennelement, erhält man eine sehr große Freiheit zur Optimierung des Brennelement sowohl in achsialer als auch seitlicher Richtung. Die drei verschiedenen Typen von Brennstäben können ihrerseits zu einer Anzahl verschiedener Typen von Brennstoffeinheiten mit geeigneten Eigenschaften für unterschiedliche Höhen in dem Brennelement und für unterschiedliche Betriebsbedingungen kombiniert werden. Durch die Verteilung verschiedener Brennstoffeinheiten auf verschiedene Höhen kann eine gewünschte achsiale Optimierung erreicht werden. Neben der Veränderung der Verteilung der Brennstoffs kann auch die gesamte Brennstoffmenge in dem Brennelement in einfacher Weise dadurch variiert werden, daß die Anzahl der der unterschiedlichen Brennstab-Typen verändert wird. variiert wird. Zusätzlich können bestimmte Positionen in dem Gitter freigelassen werden, beispielsweise zur Verbesserung des Abschaltmarginals.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine große Anzahl verschiedener Brennelemente mit verschiedenen Eigenschaften aus einer kleinen Anzahl standardisierter Einheiten zusammengesetzt werden kann. Mit geringen Zusatzkosten kann ein Brennelement erstellt werden, welches für den Reaktor und die Betriebsbedingungen, unter denen dieser arbeitet, maßgeschneidert ist.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Anzahl der Brennstäbe mit unterschiedlichem Anreicherungsniveau begrenzt werden kann, was bedeutet, daß die Brennstäbe einfacher werden und mit geringeren Kosten herstellbar sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Brennelements gemäß der Erfindung.
Die Fig. 2a, 2b, 2c und 2d zeigen horizontale Schnitte längs der Linien B-B, C-C, D-D und E-E durch das Brennelement der Fig. 1,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Absorberstabes.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Brennelement gemäß der Erfindung. Während des Betriebes ist das Brennelement vertikal im Reaktorkern angeordnet. Das Brennelement hat einen oberen Traggriff 1, ein Fußstück 2 und eine Vielzahl von Brennstoffeinheiten 3a, 3b, 3c und 3d, die übereinander gestapelt sind. Die Brennstoffeinheit enthält eine Vielzahl von Brennstäben 4a, 4b und 4c, die zwischen einer oberen Verbundplatte 5 und einer unteren Verbundplatte 6 angeordnet sind. Die Brennstoffeinheiten sind in Längsrichtung des Brennelements übereinander gestapelt, und zwar in einer solchen Weise, daß die obere Verbundplatte 5 einer Brennstoffeinheit der unteren Verbundplatte 6 der nächsten Brennstoffeinheit in dem Stapel gegenüber liegt. Ein Brennstab enthält Brennstoff in Form eines Stapels aus Urantabletten 8, die in einem Hüllrohr 7 angeordnet sind. Das Brennelement ist von einem Brennelementkasten 9 mit einem im wesentlichen quadratischen Querschnitt umschlossen. In dem Ausführungsbeispiel enthält das Brennelement vier parallele Stapel mit zehn Brennstoffeinheiten in jedem Stapel.
Fig. 2a zeigt einen Schnitt B-B durch das Brennelement der Fig. 1. In dem Brennelementkasten 9 ist ein hohles Stützglied 10 mit kreuzförmigem Querschnitt angeordnet, welches an den vier Wänden des Brennelementkastens befestigt ist. In dem von dem Stützglied 10 gebildeten zentralen Kanal 11 fließt Moderatorwasser. Der Brennelementkasten mit dem Stützglied umgibt vier vertikale kanalförmige Teile 12a, 12b, 12c, 12d, sogenannte Teilkanäle, mit einem zumindest im wesentlichen quadratischem Querschnitt. Jeder der vier Teilkanäle enthält einen Stapel aus Brennstoffeinheiten. Jede Brennstoffeinheit enthält 24 Brennstäbe, die in einem symmetrischen 5 · 5-Gitter angeordnet sind. Unter einer Brennstabposition wird eine Position in dem Gitter verstanden. Es müssen nicht alle Brennstabpositionen in dem Gitter mit einem Brennstab besetzt sein.
Das Brennelement hat drei verschiedene Arten von Brennstäben 4a, 4b und 4c. In den Fig. 2a bis 2d sind die Brennstäbe 4a mit M bezeichnet, und die Brennstäbe 4c sind mit P bezeichnet. Die Brennstäbe 4b sind in den Figuren nicht gekennzeichnet. Ein Brennstab 4a hat einen Durchmesser d&sub1;. Ein Brennstab 4b hat einen Durchmesser d&sub2;, der etwa 8% größer als d&sub1; ist und etwa 15% mehr Brennstoff enthält als der Brennstab 4a. Ein Brennstab 4c hat einen Durchmesser d&sub3;, der etwa 8% größer als d&sub2; ist und etwa 15% mehr Brennstoff enthält als der Brennstab 4b. Durch Variation zwischen den drei Brennstabarten in den verschiedenen Gitterpositionen kann eine große Variation von Brennstoffeinheiten errreicht werden. Die Brennstäbe mit dem größten Durchmesser, 4c, haben einen relativ größeren Spaltgasraum als die Brennstäbe mit dem kleinsten Durchmesser, 4a, um auf diese Weise unterschiedliche lineare Lasten infolge Stabdurchmesser und typischer Neutronenflußverhältnisse zu berücksichtigen. Es ist nicht ausreichend, daß der Durchmesser größer ist, aber auch die Höhe des Spaltgasraumes sollte größer sein.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Brennelement aus vier verschiedenen Typen von Brennstoffeinheiten 3a, 3b, 3c, 3d auf zehn verschiedenen Niveaus. Fig. 2d zeigt einen Schnitt E-E durch die Brennstoffeinheit 3a. Die Brennstoffeinheit 3a ist so ausgebildet, daß sie in den unteren Teil des Brennelements paßt, wo der Neutronenfluß dazu neigt, während eines großen Teils des Betriebszyklusses hoch zu sein. Diese Brennstoffeinheit enthält fast ausschließlich Brennstäbe des Tpys 4c, welches derjenige der Brennstäbe ist, welcher den größten Querschnitt und den meisten Brennstoff enthält. In dem untersten Teil des Brennelements kommt einer reduzierten Strömungsfläche als Folge des großen Querschnittes des Brennstäbe keine so große Bedeutung zu, da sowohl die Moderation als auch die Kühlung gut sind und der Druckabfall wegen des geringen Dampfgehaltes noch klein ist.
Je höher man im Brennelement kommt, um so geringer ist die Zahl der Brennstäbe mit dem größten Durchmesser 4c, und statt dessen nimmt die Anzahl der Brennstäbe mit einem kleineren Durchmesser 4a und 4b zu. Fig. 2b zeigt einen Schnitt C-C durch die Brennstoffeinheit 3c, und Fig. 2c zeigt einen Schnitt D-D durch die Brennstoffeinheit 3b. Fig. 2a zeigt einen Schnitt B-B durch die oberste Brennstoffeinheit 3d, welche nur Brennstäbe der Typen 4a und 4b enthält, die beide einen Durchmesser und einen Brennstoffgehalt haben, der kleiner ist als der des Brennstabes 4c. Außerdem sind die am dichtesten am Wasserkanal liegenden Gitterpositionen nicht besetzt. Ein Vorteil dieser nicht besetzten Positionen ist eine Zunahme des Abschaltmarginals. Im oberen Teil des Brennelements erfolgt die Optimierung der Brennstoffeinheiten mit dem Ziel, die Gefahr eines Austrocknens zu minimieren und einen niedrigen Druckabfall zu erhalten.
Um einen Teil der Überschußreaktivität des Brennstoffes aufzunehmen, wenn dieser neu ist, können gewisse Brennstäbe einen abbrennbaren Absorber, wie zum Beispiel Gadoliniumoxid oxyd enthalten. Ein solcher Brennstab wird im folgenden als Absorberstab bezeichnet. Der Durchmesser des Absorberstabes bestimmt seine Abbrandrate. Die Absorberstäbe 13a, 13b, 13c stehen in drei verschiedenen Größen mit drei verschiedenen Durchmessern d&sub1;, d&sub2;, d&sub3; zur Verfügung, bei denen es sich um die gleichen handelt wie bei den Brennstäben. Durch die Anordnung von Absorberstäben mit verschiedenen Durchmessern im Gitter kann der Gehalt an abbrennbarem Absorber sowohl in achsialer Richtung als auch senkrecht dazu im Hinblick auf Reaktivität, Abbrandverhalten und Leistungsverteilung fein verteilt werden.
Fig. 3 zeigt einen Absorberstab 13c im Querschnitt. Der Absorberstab enthält eine Vielzahl von Brennstofftabletten 15 und 8a, die im einem Hüllrohl 7 übereinander gestapelt sind, und ein oberer Stopfen 16 und ein unterer Stopfen 17 dichten den Absorberstab ab. Die Brennstofftabletten 15 enthalten einen bestimmten Teil an abbrennbaren Absorber. Die beiden Endtabletten 8a in dem Absorberstab enthalten nur Brennstoff und keinen abbrennbaren Absorber. Die Endtabletten sowohl in dem Brennstäben als auch den Absorberstäben grenzen an achsiale Spalte, die zwischen den Brennstoffeinheiten im Stapel vorhanden sind. Infolge der achsialen Spalte ist die Moderation und folglich die Reaktivität in den Endtabletten größer im Vergleich zu den anderen Tabletten im Stapel. Dadurch, daß kein abbrennbarer Absorber dem Brennstoff in den Endtabletten zugegeben wird, brennen die Endtabletten in der Brennstoffeinheit schneller ab als andere Tabletten. Der Abbrand findet zu Beginn des Betriebszyklusses statt, bei welchem die Gesamtleistung des Brennelements durch den abbrennbaren Absorber noch begrenzt wird. Da es in irgendeiner Weise notwendig ist, die Leistung in den Endtabletten der Brennstäbe zu begrenzen, beispielsweise durch geringere Anreicherung oder durch die Anbringung von Löchern in den Endtabletten, ist es von Vorteil, wenn alle Endtabletten untereinander identisch sind, so daß deren Herstellung vereinfacht wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben alle Brennstoffeinheiten die gleiche Gitterart. Es ist ein Vorteil, wenn alle Brennstoffeinheiten das gleiche Gitter haben, weil dann die gleichen unteren Verbundplatten und oberen Verbundplatten für die verschiedenen Brennstoffeinheiten verwendet werden können, wodurch die Anzahl von Komponenten, die herzustellen und zu lagern sind, minimiert wird. Es ist auch möglich, bei Beibehaltung des gleichen Gitters die Optimierung durch eine begrenzte Verschiebung der Positionen der Stäbe vorzunehmen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die sich auf gleicher Höhe in dem Brennelement befindlichen Brennstoffeinheiten eine unterschiedliche Verteilung der Brennstäbe aufweisen. Dies kann beispielsweise bei einem Reaktor von Vorteil sein, bei welchem das Brennelement von Wasserspalten mit unterschiedlicher Breite umgeben ist. Die Moderation ist unterschiedlich in Abhängigkeit davon, welchen Spalten eine Brennstoffeinheit gegenüber liegt, was kompensiert werden kann durch eine Anordnung von Brennstäbenmit größeren oder kleineren Durchmessern in Gitterpositionen, die den Spalten benachbart sind.

Claims

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor, welches Brennelement eine Vielzahl von Brennstäben (4) enthält, welche in einem Gitter angeordnet sind und sich zwischen einer oberen Verbundplatte (5) und einer unteren Verbundplatte (6) erstrecken und die von einem Brennelementkasten (9) mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt umgeben sind, wobei das Brennelement eine Vielzahl von Brennstoffeinheiten (3a, 3b, 3c, 3d) enthält, die übereinander gestapelt sind, wobei jede Brennstoffeinheit eine obere Verbundplatte (5), eine untere Verbundplatte (6) und eine Vielzahl von Brennstäben (4a, 4b, 4c) enthält, die zwischen der oberen Verbundplatte und der unteren Verbundplatte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens bestimmte Brennstoffeinheiten (3a, 3b, 3c, 3d) eine Vielzahl von Brennstäben mit unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlichen Brennstoffmengen enthält,

- wobei die Brennstäbe derart in den Brennstoffeinheiten angeordnet sind, daß die Brennstoffmenge und der Gitterraum sowohl in achsialer als auch seitlicher Richtung in dem Brennelement optimiert sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement mindestens drei Brennstäbe (4a, 4b, 4c) mit unterschiedlichen Durchmessern (d&sub1;, d&sub2;, d&sub3;) und unterschiedlichen Brennstoffmengen enthält.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement einen ersten Brennstab (4a) mit einem ersten Durchmesser (d&sub1;) enthält, einen zweiten Brennstab (4b) mit einem zweiten (d&sub2;) enthält, der mindestens 5% größer als der erste Durchmesser ist, und einen dritten Brennstab (4c) mit einem dritten Durchmesser (d&sub3;) enthält, der mindestens 5% größer als der zweite Durchmesser ist.

4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement mindestens sieben Brennstoffeinheiten enthält.

5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinheiten im wesentlichen das gleiche Gitter haben.

6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement eine Brennstoffeinheit (3d) enthält, bei der mindestens eine Position des Gitters nicht besetzt ist.

7. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Absorberstäbe (13a, 13b, 13c) enthält, die abbrennbares Absorbermaterial enthalten, wobei mindestens zwei der Absorberstäbe unterschiedliche Durchmesser (d&sub1;, d&sub2;, d&sub3;) haben.

8. Brennelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endtabletten (8a) der Absorberstäbe kein abbrennbares Absorbermaterial enthalten.