DE69931395T2

DE69931395T2 - Abstandsgitter zum einsatz in einem kernreaktorbrennstabbündel

Info

Publication number: DE69931395T2
Application number: DE69931395T
Authority: DE
Inventors: Pierre Imbert
Original assignee: Framatome ANP SAS
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: EP1141968B1; DE69931395D1; FR2787234B1; EP1141968B9; ES2262350T3; WO2000036609A1; EP1141968A1; FR2787234A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Abstandsgitter für ein Brennelement eines wassergekühlten Kernreaktors und insbesondere eines Druckwasserreaktors.
Die Brennelemente von wassergekühlten Kernreaktoren werden generell durch ein Bündel von Brennstäben gebildet, das heißt von Metallrohren, die mit Brennstofftabletten gefüllt sind und sich im Innern eines Gestells befinden, das die Brennstäbe parallel zueinander bündelt.
Das Gestell des Brennelements umfasst insbesondere mehrere Abstandsgitter, die in der axialen Richtung des Brennstabbündels des Brennelements einen bestimmten Abstand voneinander haben.
Jedes der Abstandsgitter verleiht den Brennstäben den nötigen Halt in transversalen Richtungen, senkrecht zu der axialen Richtung, und wird gebildet durch sich kreuzende und im Wesentlichen rechtwinklig zueinander zusammengebaute Metallplatten, die ein Gitter aus quadratischen Kernbrennstabzellen abgrenzen, von denen jede dazu dient, einen Kernbrennstab aufzunehmen, der die Zelle in einer axialen Richtung durchquert.
Der Brennstab wird in einer im Wesentlichen zentrierten Position gehalten durch Halteelemente wie Höcker und Federn, die in Bezug auf die Wände der Brennstabzelle nach innen vorstehen.
Die Brennelemente, die generell von gerader prismatischer Form sind und eine quadratische Basis aufweisen, sind bei ihrem Einsatz in dem Reaktor entsprechend ihrer axialen Richtung vertikal ausgerichtet. Das Kühlwasser des Kernreaktors fließt im Kontakt mit den Brennstäben des Brennelements in der vertikalen axialen Richtung von unten nach oben. Das Kühlwasser wird an der Basis des Brennelements in Wasserzirkulationskanäle verteilt, Teilkanäle genannt und jeder abgegrenzt durch vier benachbarte Brennstäbe.
Das Kühlwasser durchquert auch jede der Zellen des Gitters in der axialen Richtung vom unteren Rand bis zum oberen Rand der Zelle.
Bei den Abstandsgittern werden bestimmte Zellen durch Führungsrohre eingenommen, die Teil des Gestells des Brennelements sind und bestimmte Brennstäbe des Brennelements ersetzen.
Die Abstandsgitter haben auch eine wichtige zusätzliche Funktion, die darin besteht, den Kontakt und die Wärmeaustausche zwischen dem in dem Brennelement zirkulierenden Kühlwasser und der Außenoberfläche der Brennstäbe zu begünstigen. Insbesondere müssen die Abstandsgitter so konzipiert werden, dass das Auftreten des kritischen Flusses bzw. Wärmeflusses beim Kontakt mit den Brennstäben verzögert wird, das heißt ein Zirkulations- und Wärmeaustauschbetrieb zwischen dem Kühlwasser und der Oberfläche der Brennstäbe an der Grenze des normalen Wärmeaustauschbetriebs.
Wenn man es mit thermohydraulischen Bedingungen als Folge des Auftretens des kritischen Wärmeflusses zu tun hat, kann es in bestimmten Teilkanälen der Kühlwasserzirkulation bei den Brennstäben zu heißen Punkten kommen. Dies kann die Brennstäbe beschädigen und die Kühlbedingungen des Kernreaktors verschlechtern, ja sogar inakzeptabel machen.
Bei der Realisierung der Abstandsgitter der Brennelemente hat man sich daher bemüht, die thermohydraulischen Leistungen der Abstandsgitter zu verbessern und insbesondere diese Gitter so zu realisieren, dass kein kritischer Wärmefluss auftreten kann. Das Phänomen des Auftretens des kritischen Wärmeflusses wird nur durch halbempirische Gesetz beschrieben, und es ist bis heute nicht möglich gewesen, eine klare Verbindung herzustellen zwischen einerseits den Leistungen der Gitter bezüglich des kritischen Wärmeflusses und andererseits der Kapazität der Gitter, durch Querablenkung der Wasserströmungen das Mischen der verschiedenen Kühlwasserströme zu begünstigen, die das Brennelement durchfließen. Jedoch hat man beobachtet, dass die Abstandsgitter der Brennelemente bezüglich des Auftretens des kritischen Wärmeflusses leistungsfähiger sind, wenn sie effiziente Mischeinrichtungen der Kühlwasserströme besitzen.
Bis heute wurde vorgeschlagen, Mischeinrichtungen zu benutzten, die durch Mischflügel gebildet werden, die über den oberen Rand der Wände der Zellen der Brennstäbe der Abstandsgitter hinausragen. Die Flügel werden bei der Herstellung des Abstandsgitters aus den vollen Platten herausgeschnitten und in Richtungen Innenseite der Zellen des Abstandgitters mit quadratischen Maschen gebogen.
In jeder der Brennstabzellen umfasst jede von zwei entgegengesetzten und parallelen Zellenwänden einen Mischflügel in zwei Zonen, die sich in der Nähe der beiden Winkel der Brennstabzelle befinden, die derselben Diagonale entsprechen, wobei die Mischflügel in Richtung Innenseite der Zelle gebogen sind. Die beiden anderen zueinander parallelen Wände umfassen ebenfalls Mischflügel in zwei Zonen, die sich in der Nähe der beiden Winkel der Brennstabzelle befinden, die der anderen Diagonale der Zelle entsprechen.
Diese beiden Mischflügel werden in Richtung Außenseite der Zelle gebogen, das heißt in Richtung der beiden benachbarten Zelle des Gitters.
Die Mischflügel von zwei benachbarten Brennstabzellen sind also unter 90° zueinander angeordnet und ebenso verhält es sich bei den hydraulischen Zellen von zwei benachbarten Kühlwasserzirkulations-Teilkanälen.
Die Mischflügel haben einen doppelten Zweck:

– einerseits begünstigen sie die Austausche von Kühlwasserströmen zwischen den Teilkanälen des Brennelements und minimieren so die Enthalpie-Differenzen zwischen den Kanälen, verursacht durch die Leistungsgradienten im Kern des Reaktors,
– andererseits erhöhen sie die Turbulenz des Kühlwassers im Kontakt mit den Brennstäben, wenn dieses das Gitter durchquert.

Bei der üblichen Anordnung der Mischflügel, die oben beschrieben wurde, gibt es bei dem Abstandsgitter an jeder gemeinsamen Kreuzung der Zellenwände von vier Brennstäben zwei Flügel gemäß einer selben Achse und entgegengesetzter Richtung, nämlich zur Innenseite von zwei Brennstabzellen hin. Das in dem Teilkanal fließende Kühlwasser wird also durch die Flügel in Richtung des Spalts abgelenkt, das heißt des Raums zwischen zwei Brennstäben, der dem Mischflügel gegenüberliegt.
Die 90°-Anordnung jedes Flügelpaars von einem Teilkanal zu einem benachbarten Teilkanal ermöglicht, die Versorgung jedes der Spalte zwischen Brennstäben sicherzustellen.
Die Effizienz der Mischflügel der Abstandsgitter der Brennelemente ist direkt verknüpft mit der Anordnung des Flügelgitters und der Geometrie der Flügel. Jedoch kann die Geometrie jedes Flügels, das heißt die Form, die Abmessung und die Neigung des Flügels, nicht nur in Abhängigkeit von hydraulischen Kriterien gewählt werden.
Es muss nämlich zwischen den Flügeln und den Brennstäben ein ausreichend großer Raum vorhanden sein, um bei der Montage des Brennstabs und während seines Einsatzes im Reaktorkern jeden Kontakt zwischen Flügel und Brennstab zu vermeiden. Ein Kontakt zwischen dem Flügel und dem Brennstab könnte nämlich die rohrförmige Hülle beschädigen, welche die Brennstofftabletten einschließt.
Es ist auch notwendig, bestimmte Anforderungen in Bezug auf die Montage des Abstandsgitters selbst zu berücksichtigen, um den Zusammenbau der Platten ohne die Gefahr zu ermöglichen, dass beim Zusammenbauen der Platten deren Flügel sich mit vorstehenden Elementen anderer Platten verhacken, zum Beispiel mit Höckern oder Federn der Brennstabzellen.
Die Mischflügel der Abstandsgitter sind also optimiert, und ihre Effizienz kann nicht mehr erhöht werden ohne das Risiko, Herstellungsbedingungen und Betriebssicherheit des Abstandsgitters zu verschlechtern.
In US-A-5,299,245 und US-A-5,307,393 wird vorgeschlagen, den am oberen Rand der Zellenwände der Abstandsgitter ausgeschnittenen Mischflügeln ebenfalls in den Wandrändern ausgeschnittene Elemente hinzuzufügen, um die Wirkung der Mischflügel zu verbessern. In US-A-5,307,393 werden die Elemente durch kleine Reiter gebildet, die in entgegengesetzter Richtung zu dem auf demselben Rand befindlichen Mischflügel gebogen sind und mit einem Mischflügel einer Nachbarzelle kooperieren. In US-A-5,299,234 wird vorgeschlagen, kleine dreieckförmige Flügel, ausgeschnitten in einem selben Rand auf beiden Seiten der Zellenwand, jeweils in Richtung einer der beiden durch diese Wand getrennten Zellen umzubiegen. Solche Vorrichtungen haben die Effizienz der Mischflügel, denen sie zugeordnet sind, nicht wirklich verbessert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, ein Abstandsgitter für ein Brennelement eines wassergekühlten Kernreaktors vorzuschlagen, das gebildet wird durch eine Vielzahl sich kreuzender und im Wesentlichen rechtwinklig zueinander zusammengebauter Platten, die ein Gitter aus quadratischen Brennstabzellen abgrenzen, von denen jede dazu dient, einen Brennstab aufzunehmen, der die Zelle in einer axialen Richtung durchquert und durch in Bezug auf die Wände der Zelle vorstehende Halteelemente in einer im Wesentlichen zentrierten Stellung gehalten wird, wobei jede Brennstabzelle des Abstandsgitters in Fließrichtung des Kühlwassers in dem Brennstabbündel ein erstes unteres axiales Ende und ein zweites oberes axiales Ende und zwei sich gegenüberstehende Wände umfasst, die an ihren oberen Enden einen Mischflügel aufweisen, gebildet durch einen über das obere Ende hinausragenden und in Richtung Innenseite der Zelle gebogenen Wandteil in der Nähe einer erstes und eines zweiten Winkels der Zelle, angeordnet entsprechend einer ersten Diagonale der Zelle, und die beiden anderen sich gegenüberstehenden Wände der Zelle in der Nähe von zwei einer zweiten Diagonale der Zelle entsprechenden Winkeln zwei in Richtung Außenseite der Zelle gebogene Flügel umfassen, wobei dieses Abstandsgitter eine erhöhte Effizienz aufweist und die Zirkulations- und Wärmetauchbedingungen des Kühlwassers verbessert, so dass die Wärmeabführungskapazität des Kühlwassers und die Leistungskennwerte des Kernreaktors sich erhöhen.
Zu diesem Zweck umfassen die Wände der Brennstabzellen an jedem ihrer oberen Ränder, in einer Zone, die keine Mischflügel aufweist, ein komplementäres, aus einem Stück mit der Wand der Zelle aus dem Material herausgeschnittenes Ablenkelement, das eine der folgenden Anordnungen aufweist: a) in der vertikalen Verlängerung der Wand der Zelle, b) gebogen in Richtung Innenseite oder Außenseite der Zelle, in derselben Richtung wie der Mischflügel, der sich auf demselben oberen Rand einer Wand der Zelle befindet.
Dem besseren Verständnis der Erfindung dient die nachfolgende beispielartige Beschreibung von zwei Realisierungsarten eines erfindungsgemäßen Abstandsgitters und – vergleichsweise – eines Abstandsgitters nach dem Stand der Technik, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Figuren.
Die 1 ist eine Draufsicht eines Teils eines Abstandsgitters nach dem Stand der Technik.
Die 2 ist eine Draufsicht eines Details der 1.
Die 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Abstandsgitters nach der Erfindung und nach einer ersten Realisierungsart.
Die 4 ist ein Aufriss eines oberen Teils einer Platte des in der 3 dargestellten Abstandsgitters.
Die 5 ist eine Draufsicht eines Teils eines Abstandsgitters nach der Erfindung und nach einer zweiten Realisierungsart.
Die 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in der 5 dargestellten Abstandsgitters.
Die 7 ist eine perspektivische Ansicht eines oberen Teils einer Zellenwand des in der 5 dargestellten Abstandsgitters.
Die 8 ist eine Seitenansicht entsprechend 8 der 7.
In der 1 ist ein generell mit 1 bezeichneter Teil eines Abstandsgitters eines Brennelements nach dem Stand der Technik dargestellt.
Das Gitter 1 wird gebildet durch Metallplatten 2 und 2', die jeweils eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweisen und zusammen einen Winkel von 90° bilden, wobei die Platten 2 und 2' sich kreuzen und zusammengebaut werden in Form eines Gitters mit quadratischen Maschen, gebildet durch Brennstabzellen 3, von denen jede dazu bestimmt ist, einen Brennstab 4 aufzunehmen.
Jede der quadratischen Brennstabzellen 3 umfasst aus ihren Wänden nach innen vorstehende Höcker und Federn 5 zur Stützung des Brennstabs 4, der die Zelle 3 in einer im Wesentlichen zentrierten Anordnung und in axialer Richtung senkrecht zu der Ebene der 1 durchquert.
Das Kühlwasser des Reaktors fließt im Betrieb in axialer Richtung von unten nach oben, das heißt in Richtung des oberen Endes des Abstandsgitters des in der 1 dargestellten Brennelements.
Das Kühlwasser fließt im Innern jeder Zelle 3 des Abstandsgitters 1, wobei es Kontakt hat mit der Außenoberfläche des Brennstabs 4.
Das Kühlwasser des Reaktors durchfließt das gesamte Brennstabbündel auch in Form von Strömen, von denen jeder in einem Teilkanal fließt, der durch vier benachbarte Brennstäbe 4a, 4b, 4c und 4d gebildet wird, wie dargestellt in der 1.
In der 1 ist mit dem Bezugszeichen 6 die hydraulische Zelle bezeichnet, die dem durch die Brennstäbe 4a, 4b, 4c und 4d abgegrenzten Kanal entspricht, das heißt dem Querschnitt des Teilkanals senkrecht zu der axialen Richtung der Brennstäbe und dem durch die zueinander parallelen Brennstäbe 4 gebildeten Bündels.
Jede der Zellen 3 des Abstandsgitters umfasst in ihren Wänden, über den oberen Rand hinausragend und über zwei benachbarten Zellen, zwei in Richtung Innenseite der Zelle gebogene Flügel und zwei in Richtung Außenseite der Zelle gebogene Flügel.
Zum Beispiel im Falle der Zelle 3a, in der sich der Brennstab 4a befindet, ist der obere Rand der beiden durch Platten 2 gebildeten Wände der Zelle so zugeschnitten, dass in der Nähe der beiden einer ersten Diagonale der Zelle entsprechenden Winkel die beiden Flügel 7 über die Zelle 3 hinausragen. Die beiden Flügel 7 sind über der Zelle 3 nach innen gebogen. Die beiden Wände der Zelle 3, die durch die zu den Platten 2 senkrechten Platten 2' gebildet werden, die gemeinsame Wände für die Zelle 3 und zwei benachbarte Zellen bilden, die in der 1 links und rechts der Zelle 3 angeordnet sind, sind so zugeschnitten, dass in der Nähe der beiden einer zweiten Diagonale der Zelle entsprechenden Winkel die beiden Flügel 8 über die Zelle 3 hinausragen. Die Flügel 8 sind in Bezug auf die Zelle 3 nach außen gebogen, über die linke beziehungsweise die rechte Nachbarzelle der Zelle 3.
Wenn man die Überkreuzung der Wände der vier benachbarten Zellen betrachtet, die die Brennstäbe 4a, 4b, 4c und 4d enthalten, sieht man, dass diese Wände im Innern der hydraulischen Kühlwasserzirkulationszelle 6 vier Flächenwinkel bilden, wobei die Platte 2 in Höhe der Überkreuzung so zugeschnitten ist, dass sie zwei Flügel 7 und 9 aufweist, die gemäß dem oberen Rand der Platte 2 ausgerichtet und in entgegengesetzte Richtungen gebogen sind, nach beiden Seiten dieser Platte. Die Platte 2' umfasst in der hydraulischen Zelle 6 keine Flügel.
Die Mischflügel (wie 7 und 9 und 8 und 10) sind so angeordnet, dass sie von einem Kanal zum nächsten um 90° um die gemeinsame Schnittlinie der Zellenwände herum gegeneinander verdreht sind.
Ebenso, indem man zwei beliebige benachbarte Brennstabzellen 3 betrachtet, können die Anordnungen der Mischflügel 7, 8, 9 oder 10 voneinander abgeleitet werden durch eine 90°-Rotation um die Achse der Zelle herum.
Wenn das Kühlwasser des Kernreaktors das Brennelement umströmt und das Abstandsgitter 1 im Innern der Brennstabzellen 3 und der hydraulischen Zellen 6 durchquert, lenken die Mischflügel 7, 8, 9 und 10 die Strömung am Ausgang des Abstandsgitters auf den Spalt zwischen zwei benachbarten Brennstäben, wie angedeutet durch die Pfeile 11.
Die Präsenz der Mischflügel 7, 8, 9 und 10 ermöglicht, den Kühlwasserstrom in Bezug auf die axiale Richtung des Brennelements transversal abzulenken, so dass die Austausche zwischen benachbarten Teilkanälen 6 begünstigt sind und die Turbulenz der das Abstandsgitter durchquerenden Strömung erhöht wird, was die thermischen Austausche mit den Brennstäben begünstigt.
In der 2 ist eine Kreuzungsstelle von Wänden des Abstandsgitters im Innern einer hydraulischen Zelle 6 dargestellt, in der der Kühlwasserstrom abgelenkt wird durch die in entgegengesetzte Richtungen gebogenen Flügel 7 und 9 einer Platte 2.
Pfeile 12 stellen eine durch die Flügel 7 und 8 erzeugte transversale Hauptströmung dar und Pfeile 13 eine transversale Sekundärströmung, schwächer als die Hauptströmung 12 und in Bezug auf diese seitlich abgelenkt. Die Sekundärströmung 13 ist zu schwach, um einen größeren Kühlwassertransfer in Richtung eines dem in der 2 dargestellten Teilkanal benachbarten Teilkanals zu bewirken.
Hingegen begrenzt die Sekundärströmung 13 den Durchsatz und die Effizienz der Hauptströmung 12. Der Effekt der Mischflügel 7 und 9 wird also durch die Sekundärströmung beschränkt.
Um die Sekundärströmung 13 zu begrenzen oder zu eliminieren und dadurch den Effekt der Hauptströmung zu erhöhen, kann man erfindungsgemäß die in den 3 und 4 dargestellte Einrichtung verwenden.
Elemente der 3 und 4, die Elementen der 1 und 2 entsprechen, haben dieselben Bezugszeichen.
Das in der 3 dargestellte Abstandsgitter 1 wird durch Metallplatten 2 und 2' gebildet, die jeweils einen Winkel von 90° bilden und so zusammengebaut sind, dass sie ein Gitter aus quadratischen Zellen 3 für Brennstäbe mit global parallelflacher Form bilden.
Das Gitter 1 ist an seinem Umfang von einem fest mit den Platten 2 und 2' verbunden Mantel 15 umgeben, der die durch die Platten 2 und 2' abgegrenzten Randzellen schließt.
Jede der Zellen des Gitters ist dazu bestimmt, entweder einen Brennstab 4 oder ein Führungsrohr 14 aufzunehmen. Es wurde nur ein Brennstab 4 und ein Führungsrohr 14 dargestellt, um die Kühlwasserleiteinrichtungen des oberen Teils des Gitters besser darstellen zu können. Selbstverständlich umfasst das Brennelement in allen Zellen 3 des Gitters Brennstäbe, mit Ausnahme von einigen Zellen, die für Führungsrohre reserviert sind.
In der 3 sieht man den oberen Teil des Abstandsgitters 1, der das Austrittsende des Kühlwassers bildet, nachdem es das Abstandsgitter durchquert hat. Der obere Teil des Gitters 1 umfasst Leit- und Mischelemente des Kühlwassers, die über seinen oberen Rand hinausragen, indem sie die Platten 2 und 2' verlängern, welche die Wände der Zellen 3 bilden.
Zunächst umfassen die Leit- und Mischelemente des oberen Teils des Abstandsgitters 1 Mischflügel 7, 8, 9 und 10 wie beschrieben mit Bezug auf die 1 und 2. Das erfindungsgemäße Gitter 1 hat nämlich generell eine Struktur, die der Struktur des Gitters nach dem Stand der Technik entspricht, das in der 1 dargestellt ist und insbesondere Mischflügel 7, 8, 9 und 10 umfasst, deren Form und Anordnung in Bezug auf jede der Wände der Brennstabzellen und in Bezug auf die Kreuzungsstellen der Wände in den hydraulischen Zellen der Form und Anordnung der Mischflügel entsprechen, die beschrieben wurden mit Bezug auf das in der 1 dargestellte Gitter nach dem Stand der Technik.
Zudem umfasst das erfindungsgemäße Gitter 1 komplementäre Elemente zur Unterdrückung der Sekundärströmung des Kühlwassers, wie beschrieben mit Bezug zur 2, in Höhe jeder der Wandkreuzungsstellen, in einer hydraulischen Zelle und einem Kühlwasserzirkulations-Teilkanal. Diese komplementären Elemente werden durch Flügel 16 gebildet, die in Bezug auf den oberen Rand aus jeder Zellenwand herausragen und so aus den Metallplatten 2 und 2' herausgeschnitten werden, dass sie ein Dreiecks- oder Trapezform aufweisen.
Die komplementären Flügel 16 sind nicht in Richtung einer der Zellen gebogen, sondern befinden sich in der Ebene der jeweiligen Wand, die sie nach oben verlängern.
Jeder der geraden komplementären Flügel 16 ist entsprechend dem oberen Rand einer Brennstabzellenwand angeordnet, in einer Endzone dieses Wandrands, die keine Mischflügel aufweist, das heißt in einer Zone, die sich entgegengesetzt zu dem Mischflügel auf dem oberen Rand der Zellenwand befindet, in der Nähe eines Winkels der Zelle.
Die äußeren Endränder der beiden Mischflügel 7, die in Richtung Innenseite der Zelle 3 gebogen sind, werden derart gebogen, dass sie die Innenoberfläche eines komplementären Flügels 16 berühren, längs eines Rands des Flügels 16, der in Bezug auf die axiale Richtung schräg ist, nach außen und nach unten.
Die beiden anderen komplementären Flügel 16 der beiden anderen Wände der Zelle 3 werden längs der Außenoberfläche (in Bezug auf die Zelle 3) des komplementären Flügels 16 von zwei Mischflügeln 9 und 10 der Nachbarzellen der Zelle 3 berührt.
Auf diese Weise bildet jeder der komplementären Flügel 16 mit einem Mischflügel 7, 9 oder 10 einen Flächenwinkel. Es bilden sich also bei zwei einer Diagonale der Zelle entsprechenden Winkeln der Zelle und zwei Winkeln von zwei Nachbarzellen der Zelle 3 zwei Flächenwinkel. Die Mischflügel können mit den komplementären Flügeln verschweißt werden, längs der schrägen Ränder.
Die komplementären Wände 16 stoppen die komplementären bzw. sekundären Kühlwasserströmungen 13 in zwei Winkeln jeder Kreuzungsstelle von Wänden im Innern einer hydraulischen Zelle, wie dargestellt in der 2, wo man zwei aus dem oberen Teil der Platte 2' herausgeschnittene komplementäre Flügel 16 punktiert dargestellt hat. Man sieht, dass das Kühlwasser ganz in Richtung der Spalte zwischen den Brennstäben gelenkt wird, die sich auf beiden bzw. allen Seiten des Teilkanals und der in der 2 dargestellten hydraulischen Zelle 6 befinden, wenn man gerade komplementäre Flügel 16 vorsieht.
Die 4 zeigt, wie die Außenränder der Mischflügel 7, 10, 8 und 9 sich abstützen auf dem schrägen Rand eines aus einer Platte 2 oder einer Platte 2' herausgeschnittenen komplementären Flügels 16 einer Zellenwand.
In der 5 ist ein Abstandsgitter 1 nach einer zweiten Realisierungsart der Erfindung dargestellt. Die Elemente der 5, die Elementen der 1 und einer ersten, in der 3 dargestellten Ausführungsart entsprechen, haben dieselben Bezugszeichen.
Jede der Brennstabzellen 3 des Gitters 1 wie etwa die in der 5 dargestellte zentrale Zelle umfasst an den oberen Rändern ihrer Wände zwei in Richtung Zelleninneres gebogene Mischflügel 7 und zwei in Richtung Zellenäußeres gebogene Mischflügel 8, über zwei Nachbarzellen der Zelle 3. Die Mischflügel 7 sind in der Nähe von zwei einer ersten Diagonale entsprechenden Winkeln der Zelle 3 angeordnet und die Mischflügel 8 in der Nähe von zwei einer zweiten Diagonale entsprechenden Winkeln der Zelle 3.
Die allgemeine Struktur des Gitters nach der zweiten Realisierungsart, wie dargestellt in der 5, und die Anordnung der Mischflügel 7 und 8 dieses Gitters entsprechen der allgemeinen Struktur und den entsprechenden Anordnungen des Gitters nach dem Stand der Technik und des Gittes nach der ersten Realisierungsart.
Im Falle eines Gitters nach dem Stand der Technik, wie dargestellt in der 1, wird im Innern jeder Brennstabzelle, zum Beispiel der Brennstabzelle 3 im Zentrum des in der 1 dargestellten Teils des Gitters, das die Zelle in axialer Richtung durchquerende Kühlwasser durch die Mischflügel 10 abgelenkt, die von zwei entgegengesetzten Wänden dieser Zelle aus in entgegengesetzten Richtungen zum Zelleninnern hin gebogen sind. Daraus resultiert die Tendenz, dass die Flügel 10 dem Kühlwasser eine Rotationsbewegung verleihen, um den Brennstab 4d herum, wie angedeutet durch die Pfeile 11'.
Aufgrund der Anordnung der Flügel in den sukzessiven Zellen dreht sich das Kühlwasser in benachbarten Zellen gegensinnig.
Jedoch erfährt das Kühlwasser in den beiden Winkeln der Zelle, in denen keine Flügel angeordnet sind, keine Ablenkung. Die Strömung erhält keine transversale Geschwindigkeitskomponente und die Einleitung der Rotationsbewegung um den Brennstab herum, erzwungen durch die Flügel 10, ist unterbrochen.
Um die Rotationsbewegung des Kühlwassers um den Stab 4 herum zu begünstigen, wie dargestellt in der 5, im Falle der zweiten Realisierungsart der Erfindung, sieht man in Richtung Innenseite der Zelle 3 gebogene Leiteinrichtungen 17 des Kühlwassers in den Winkeln der Zelle vor, die keine Mischflügel 7 umfassen.
Wie zu sehen in den 6, 7 und 8 werden die Leiteinrichtungen 17 realisiert, indem man Wandteile, die sich in den oberen Winkeln dieser Wände befinden, in Richtung Innenseite der Zelle 3 biegt.
Das Umbiegen erfolgt längs einer Biegelinie 17', die schräg ist in Bezug auf die vertikale axiale Richtung der Zelle, wie zu sehen in der 7.
Die Leiteinrichtungen 17 werden in den Wänden der Zelle 3 realisiert, die schon in Richtung Innenseite der Zelle gebogene Mischflügel 7 umfassen. Die beiden anderen Wände der Zelle umfassen Mischflügel 8 und Leiteinrichtungen 18 entsprechend den Leiteinrichtungen 17, aber nach außen gebogen, über der Zelle 3 benachbarten Zellen. Die Leiteinrichtungen 17 und 18 sind immer in dieselbe Richtung gebogen wie die Mischflügel, die sich auf demselben Rand einer Zellenwand befinden.
Das Vorhandensein in der Zelle 3 von Leiteinrichtungen 17, die in Bezug auf die vertikale axiale Richtung geneigt sind, in den Winkelzonen, die keine Mischflügel umfassen, begünstigt die Rotationsbewegung des Kühlwassers in der Zelle, um den Stab 4 herum. Die Pfeile 20 zeigen die transversale Ablenkung der durch die Mischflügel 7 erzeugten Strömung und die Pfeile 19 den komplementären Effekt der transversalen Ablenkung, verursacht durch die schrägen Leiteinrichtungen 17.
Zudem, wie zu sehen in der 8, vor dem Auftreffen auf den Mischflügel 7, trifft die vertikale Strömung, deren Richtung und Sinn durch den Pfeil 21 dargestellt werden, auf die Leiteinrichtung 17, die sich in Bezug auf den Mischflügel 7 stromaufwärts befindet. Die Leiteinrichtung 17 lenkt die Hauptströmung so in Richtung Zelle, dass sie auf den Mischflügel 7 trifft. Derart verstärkt man den Mischeffekt zwischen den benachbarten hydraulischen Teilkanälen.
Das erfindungsgemäße Abstandsgitter hat auf alle Fälle den Vorteil, den thermischen Austausch zwischen den Zirkulationskanälen des Kühlwassers im Innern des Brennelements zu ermöglichen und die thermischen Austausche zwischen dem Kühlwasser und den Stäben zu begünstigen. Die komplementären Kühlwasserablenkelemente wirken mit den bekannten Mischflügeln zusammen, um diese beiden Effekte zu erzielen.
Selbstverständlich ist es nicht möglich, simultan in einem selben Gitter die komplementären Kühlwasserablenkelemente der ersten und der zweiten Realisierungsart vorzusehen, da für diese komplementären Elemente Material der die Wände der Zellen bildenden Platten benötigt wird, das sich in denselben Wandzonen befindet.
Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Abstandsgitters notwendigen Operationen sind nicht sehr viel komplexer als jene zur Herstellung eines Gitters nach dem Stand der Technik.
Im Falle der ersten Realisierungsart genügt es, beim Zuschneiden der Platten die über den oberen Rand der Gitter hinausragenden zusätzlichen Flügel 16 in all den Zonen auszuschneiden, in denen kein Mischflügel vorgesehen ist. Im Falle des Gitters nach der zweiten Realisierungsart realisiert man ebenfalls einen Zuschnitt der Platte zur Abgrenzung bzw. Realisierung der Leiteinrichtungen 17 und 18, aber in diesem Fall ist es notwendig, eine zusätzliche Biege- und Verschweißungsoperation der Platten vorzusehen, so dass die Herstellung des Abstandsgitters etwas komplexer ist als im Falle eines Abstandsgitters nach dem Stand der Technik. Jedoch ermöglichen die aktuellen Schweißtechniken, zum Beispiel mittels Laser, diese Operation ohne große Schwierigkeiten durchzuführen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Realisierungsarten beschränkt. Man kann die Verwendung von zusätzlichen Kühlwasserablenkelementen vorsehen – angeordnet am oberen Rand der Zellenwände, in Zonen die durch Mischflügel besetzt sind – die von einer anderen Art als die oben beschriebenen sind. Diese zusätzlichen Flügel haben eine Form und eine Anordnung, die ermöglichen, ihre Auswirkung auf den Kühlwasserstrom mit derjenigen der üblichen Mischflügel zu kombinieren. Insbesondere müssen die zusätzlichen Flügel in dieselbe Richtung gebogen sein wie die Mischflügel, die sich auf demselben Wandrand befinden oder auch in der Verlängerung der vertikalen Wand der Zelle.
Die Erfindung betrifft jedes Abstandsgitter eines wassergekühlten Kernreaktors mit Mischflügeln entsprechend dem Gegenstand der Ansprüche.

Claims

Abstandsgitter für Brennstabbündel eines wassergekühlten Kernreaktors, gebildet durch eine Vielzahl sich überkreuzender und im Wesentlichen rechtwinklig zueinander zusammengebauter Platten (2, 2'), ein Gitter aus quadratischen Kernbrennstabzellen (3) abgrenzend, von denen jede dazu dient, einen Kernbrennstab (4) aufzunehmen, der die Zelle in einer axialen Richtung durchquert, durch in Bezug auf die Wände der Zelle (3) vorstehende Halteelemente (5) in einer im Wesentlichen zentrierten Stellung gehalten, wobei jede Brennstabzelle (3) des Abstandsgitters (1) in Fließrichtung des Kühlwassers in dem Brennstabbündel ein erstes unteres axiales Ende und ein zweites oberes axiales Ende und zwei sich gegenüberstehende Wände umfasst, die an ihren oberen Enden einen Mischflügel (7, 8, 9, 10) aufweisen, gebildet durch einen über das obere Ende hinausragenden und in Richtung Innenseite der Zelle (3) gebogenen Wandteil in der Nähe einer ersten und einer zweiten Ecke der Zelle (3), angeordnet entsprechend einer ersten Diagonalen der Zelle (3), und die beiden anderen sich gegenüberstehenden Wände der Zelle in der Nähe von zwei einer zweiten Diagonalen der Zelle (3) entsprechenden Ecken zwei in Richtung Außenseite der Zelle (3) umgebogene Flügel (8) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Brennstabzellen (3) an jedem ihrer oberen Ränder, in einer Zone, die keine Mischflügel (7) umfasst, ein komplementäres, aus einem Stück mit der Wand der Zelle (3) aus dem Material herausgeschnittenes Ablenkelement (16, 17, 18) umfasst, das eine der folgenden Anordnungen aufweist: a) in der vertikalen Verlängerung der Wand der Zelle (3), b) umgebogen in Richtung Innenseite oder Außenseite der Zelle, in derselben Richtung wie der Mischflügel (7), der sich auf demselben oberen Rand einer Wand der Zelle befindet.
Abstandsgitter nach Anspruch 1, bei dem das zusätzliche Ablenkelement durch einen über das obere Ende der Wand der Zelle (3) hinausragenden und in der vertikalen Verlängerung der Wand angeordneten geraden Flügel gebildet wird, wobei ein umgebogener Mischflügel (7, 8, 9, 10) sich mit einem Außenrand auf einer zur Wand der Zelle (3) parallelen Fläche des geraden Flügels (16) abstützt, um in einer Eckenzone der Zelle (3) einen V-Winkel zu bilden.
Abstandsgitter nach Anspruch 2, bei dem der zusätzliche Flügel (16) dreieck- oder trapezförmig ist und einen in Bezug auf die axiale Richtung schrägen Rand umfasst, längs dem sich ein umgebogener Mischflügel (7, 8, 9, 10) abstützt.
Abstandsgitter nach Anspruch 1, bei dem die Wände jeder der Brennstabzellen (3), wenn ihre oberen Rändern einen in Richtung Innenseite der Zelle (3) umgebogenen Mischflügel (7) aufweisen, ein komplementäres, aus einem Stück mit der Wand der Zelle (3) aus dem Material herausgeschnittenes Ablenkelement (17) umfassen, in einer Zone des Rands, die keinen in Richtung Zelle umgebogenen Mischflügel (7) aufweist und gebildet durch einen in Richtung Innenseite der Brennstabzelle (3) gebogenen Kühlwasser-Lenkflügel (17), und, wenn ihre Rändern einen in Richtung einer der Zelle (3) benachbarten Zelle umgebogenen Mischflügel (8) aufweisen, einen in Richtung der benachbarten Zelle gebogenen Lenkflügel (18) umfassen.
Abstandsgitter nach Anspruch 3, bei dem jede der Brennstabzellen (3) zwei parallele entgegengesetzte Wände umfasst, von denen jede einen Eckenteil (17) aufweist, entsprechend einer ersten Diagonalen der Brennstabzelle (3) angeordnet und in Richtung Innenseite der Zelle gebogen, um einen Lenkflügel (17) zu bilden, wobei die beiden anderen entgegengesetzten Wände der Zelle Eckenteile (18) umfassen, entsprechend der zweiten Diagonalen der Zelle angeordnet und nach außen gebogen über der Brennstabzelle (3) benachbarten Brennstabzellen.
Abstandsgitter nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem der Lenkflügel (17) sich, in Fließrichtung des Kühlwassers, oberhalb des auf demselben oberen Rand der Wand der Brennstabzelle (3) angeordneten Mischflügels (7) befindet und so geneigt ist, dass er das Kühlwasser in Richtung Mischflügel (7) lenkt.