DE1589849C3 - Brennstoffbündel für Kernreaktoren - Google Patents

Description

ist, besteht die Gefahr, daß der untere Teil der Eckstäbe eines Brennstoffbündels überhitzt wird.
. Weiterhin ist in der USA.-Patentschrift 3 158 543 ein Kernreaktor ^; mit einem Übergangsstück 'beschrieben, dessen Funktion dahingehend angegeben ist, daß es für einen Strömungsübergang von einer runden auf eine rechtwinklige Fläche am Brerinstoffbündel^: sorgen soll, wobei eine gleichmäßige Strömungsverteilung auf alle- Kühlmittelkanäle sichergestellt sein. soll. Zu diesem Zweck ist das bekannte Übergangsstück so lang wie praktikabel, um die Strömungsverteilung zu verbessern. Dadurch wird jedoch das Brennstoffbündel stärk verlängert. ^i;

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, zur Verkürzung der Reaktorgesamtlänge und unter Aufrechterhaltung günstiger Strömungsverhältnisse die Länge der unteren Ankerplatte zu verkürzen.' ; : :■; r^;· ;

Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffbündel der eingangs genannten · Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der maximale Neigungswinkel zwischen der Längsachse des Brennstoffbündels urid'der Wand des^; Strömungskänals, unter dem das Übergangswandstück konisch zusammenlaufend' ausgebildet ist, im Bereich von etwa 40 bis 50° liegt- ^; _: ^; ;

Gemäß "einem weiteren Ausführungsbeispiel ist an das Ende des Übergangswandstücks mit kreisförmigem Querschnitt ein kurzes zylindrisches Wandstück angesetzt. Vorteilhafterweise wird dabei durch drei von dem kurzen zylindrischen Wandstück ausgehende gekrümmte Teile eine Nase gebildet, deren andere Enden in einem gemeinsamen Punkt verbunden sind. ■■■.■■"■■■■■■ ,-·.■.■·.■ . . ·■■■■■■■

Ferner kann vorzugsweise die Außenwand des Übergangswandstücks dort als konischer Sitz ausgebildet sein, wo der Querschnitt des Übergangswandstücks kreisförmig ist.^; '■'■■-

Mit einem Brenristoffbüridel gemäß der Erfindung sind insbesondere ^; die-Vorteile erzielbar, daß¹ die untere Ankerplatte erheblich verkürzt wird;'"^; das Brennstoffbündel· trotzdem unter allen auftretenden Betriebsbedingungen zuverlässig gehaltert und außerdem eine Ablösung der Strömung von den Wänden des Strömungskänals vermieden wird. Da eine Ablösung¹ der Strömung von den Wänden nicht'mehr auftritt, werden alle Brennstoffstäbe, also auch die Eckstäbe des Bündels, ausreichend gut gekühlt, und außerdem ist die Moderatorwirkung an allen Stellen im Bündel ausreichend gut. '

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kernreaktoranlage mit einem Reaktorkessel, in dem Brennstoffbündel nach der Erfindung verwendet werden können;

F i g. 2 zeigt perspektivisch und teilweise geschnitten ein Brennstoffbündel mit einer unteren Ankerplatte nach der Erfindung;

F i g. 3 ist eine Draufsicht auf die untere Ankerplatte an der Linie 3-3 aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab; '

F i g. 4 ist ein Schnitt durch die untere Ankerplatte längs der Linie 4-4 nach Fig. 3;

F i g. 5 zeigt das untere Ende der unteren Ankerplatte in vergrößertem Maßstab;

Fi g. 6 ist ein Schnitt durch die untere Ankerplatte längs der Linie 6-6 in Fi g. 3;

F i g. 7 zeigt schematisch die untere Ankerplatte sowie den größtmöglichen Eintrittswinkel für die Strömung;

Fig. 7 A ist eine Endansicht der unteren Ankerplatte in Richtung der Pfeile 7Ä-7 A in Fig. 7; " F i g; 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch die untere Ankerplatte mit einem Strömungseintrittswirikel, der für einen zufriedenstellenden Reaktbrbetrieb zu groß ist;'■·■'■'.■■'^;'-";;"-'"-\ ⁿ'··. -V."-'-¹--' _ '^;;.:·::-ό:;:·.' .■■■ Fig. 8 A ist eine¹ Endansicht der unteren Ankerplatte in Richtung der Pfeile 8 A-8 A in F i g. 8; Fig. 9 ist ein scheriiatischer Schnitt durch die . untere Ankerplatte und zeigt den kleinstmöglichen.

Wert für den Strömungseintrittswinkel;; der für den Reaktorbetrieb' noch zulässig ist-^: bei dem aber; die Länge der Ankerplätte und somit cles ^Brennstoff:- bündeis zu groß wird;⁵ "°'';^{: i::};;' ^:: ;'⁵- ·^;:' -

F i g. 9 A ist^: eine Eridänsicht der unteren' Ankerplatte in^; Richtung-der Pfeile 9 A-9'A^: iriFigJ 9.

■ In Fi g. 1 ist schematisch eine^; Kerrireäktoranlage dargestellt, in der die Brerinstoffbühdel nach' der Erfindung verwendet werden können!Siekönnen jedoch' auch bei' verschiedenen¹ anderen Kernreaktoren angewendet werden, also beispielsweise bei;Wässermoderierten Reaktoren, bei'; Schwerwasse'r-moderierteri ' und Gräphit-rhoderierten^; Reäktorenj bei' orga^ nisch- oder Natriunj^moderierten;; Reaktoren. Die Brennstoffbündel gemäß der Erfindung sind ebenfalls auf solcheJReaktoKert'ariwendbär, die als Moderator und Kühlmittel andere Medien verwenden. Zu Darstellungszwecken 'werden sie im folgenden in Verbindung mit einem Siedewasser-Reaktor beschrieben, da sich die erfindungsgemäßen Brennstoffbündel für Siedewässer-Reaktoreri ' als besonders zweckmäßig erwiesen haben. ·' - ■■'"--■-■■ ■ ■ ^; Die Kernreaktqranläge gemäß Fig. 1 weist einen Druckkessel 10 mit einem abnehmbaren Dom 12 auf, der durch Flansche 14 und 16 befestigt ist? Innerhalb des Druckkessels 10 ist ein Reaktorkern 18 angeordnet^ der mehrere senkrecht angeordnete •Brennstoffbündel 20- aufweist. Jedes/ Brehnstoffbündel besteht aus einer Anzahl" von' längen Brennstoffstäben, die in^; einem gewissen Abstänc} yoneinänder¹ angeordnet und mit Hilfe von oberen und unteren Airikerpiatteh gehaltert sind, die mit^c Öffnungen versehen sind, durch die das Kühlmittel hindurchströmen kann.

Jedes Brennstoffbündel ist mit. einem offenen Stfömungskanal versehen, der die Brennstoffstäbe umgibt.

Durch den Boden 23 des Reaktorkessels sind eine Anzahl von Rohrstutzen 22 hindurchgeführt und dort verschweißt, durch die die Antriebsstangen für die Steuerstäbe hindurchführen. Auf die oberen Enden der Rohrstutzen 22 sind eine Anzahl von Führungsrohren 24 aufgesetzt, die mit ihren unteren Enden an den Rohrstutzen 22 Verschweißt sind und von ihnen getragen werden'. Die oberen Enden der Führungsrohre 24 sind in seitlicher Richtung durch eine untere Gitterplatte 26 festgelegt. Das obere Ende eines jeden Führungsrohrs ist mit vier Sockeln ausgerüstet (nicht gezeigt).- Außerdem ist jedes obere Ende eines Führungsrohrs mit einer kreuzförmigen Öffnung versehen. Jedes Führungsrohr 24 trägt vier Brennstoffbündel 20. In jedem der vier Sockel ist die untere Ankerplatte 25 eines Brennstoffbündels eingesetzt. Jedes Führungsrohr 24 ist mit öffnungen 28 versehen, die in der Nähe des oberen Rohrendes liegen und die einmal mit dem Vorratsraum 30 und zum anderen durch die Sockel und die unteren Ankerplatten hindurch mit den züge-

hörigen Brennstoffbündeln hv Verbindung stehen.

Die Steuerstäbe 32 sind gestrichelt dargestellt. Mit diesen Steuerstäben 32 werdender gesamte Leistungspegel und die örtliche Leistungsverteilung in dem Reaktor gesteuert. In jedem Führungsrohr ist ein kreuzförmiger Steuerstab angeordnet, der durch die kreuzförmige Öffnung im Führungsrohr hindurchgeht und zwischen den vier Brennstoffbündeln 20 auf- und abbewegt werden kann, die auf das Führungsrohr aufgesetzt sind. Die Steuerstäbe werden mit Hilfe von Antriebsstangen 33 in den Reaktorkern hineingeschoben und; aus ihm herausgezogen, die durch die Rohrstutzen 22 hindurchlaufen. Die Antriebsstangen 33 sind ebenfalls gestrichelt dargestellt. Die Antriebsstangen werden selektiv von einzelnen Antriebsmechanismen betätigt (nicht gezeigt), die die Stellungen der Steuerstäbe in dem Reaktorkern bestimmen. Wie ein solcher Antriebsmechanismus aufgebaut sein kann, der die Steuerstäbe eines Reaktors der hier, interessierenden Art auf·: und abbewegt, ist beispielsweise in der .USA-Patentschrift 3 020 887 beschrieben. . .JJ^J_: -J: :r ;;.,;:■ . ";

Innerhalb des Kessels ist ein Ringmantel 34 angeordnet, der den Reaktorkern 18 umgibt, derart, daß sich' zwischen dem J Ringmantel 34 und der as Kesselwand ein Ringraum 36 befindet. Vom Boden des Ringraums 36 wird Umwälzwasser als Moderator und Kühlmittel von einer Pumpe 38 kontinuierlich abgepumpt und in den Vorratsraum 30 gedrückt.

Während, des Betriebs eines typischen Siedewasserreaktors wird im Kern 18 ein Dampf-Wassergemisch erzeugt, das in den Dom 27 gelangt. Von dort strömt das Dampf-Wassergemisch in Dampfseparatoren 40 ein. Dort wird der größte Teil, des Dampfs von dem Wasser abgetrennt. Der abgetrennte Dampf strömt in einen Dampftrockner 42 hinein,. der auf einen Ring 44 montiert ist. Dort wird das restliche Wasser aus dem Dampf entfernt. Der trockenepampf aus dem Dampftrockner wird an eine "Turbine ,46 weitergeleitet, die einen elektrischen' GeneratorJ antreibt. Das ,Wasser aus den. Dampfseparatoren 40 und dem Dampftrockner 42" fließt" nach unten und über den oberen Boden des Doms 27 radial nach außen, dann durch die Separatoren hindurch und in'den Ringraum 36 hinein. Der Wasserstand im'·, Reaktorkessel ist durch die unterbrochene Linie 50 angedeutet J
. Abdampf aus deriTurbine 46 wird im Kondensorsumpf 52^ kondensiert und gesammelt. Das Dampfkönde'risat'wird durch einePumpe 54 abgepumpt und als Speisewasser.'einem Ringverteiler 56 zugeführt, so daß'dieses; Speisewässjer^mit ÜemV/asser gemischt wird, das aus'4^:P^pfsepaT^oicn40: und dem Dampftrockner J42jstanunt.iE)äsJU also ^; aus dem.Vorratsraum30>nach·;oben,, dann, nacheinr- --„.- - w -""J^töfflrändel 20 jden^Dom 27r πΓίΟ^ diei obere: Kammer 58. ;räum 3^entiang|un^kömmt<; dann; iJjLJmwälzpumpe 38jzurückfeEs_a^ei.:j: ;>· i?emerk£'daßi d^WasserJ auchjdurefc Strahlpumpen l 60; ; umgewälzt ,werden? kann^die;. im·^Ringraum 36i ange^.f ·^;; . ördnetfsindjgJli ^S&iiÄÖ^f^^^i Y}"^: "' jDasJlWasserl- aus ? dem ^yorratsraum 30ί wird' in z\yei parallele TeUslröme'unterteilt.;i,vivr-: μ ·»;■■>;-:{;·' -jDer*ereife^Teilstromi: der.Jaus-_;etwä> 90%- des gesamtenvWωsere■■"_;aώl·αem--yorratSΓaum3ό^bestehV strömt; nacheinander,-.durch' dje. Öffnung 28 obenin den Führüngsröhren 24,: durch die untere Ankerplatte 25 der Brennstoffbündel hindurch, tritt dann in die Brennstoffbündel ein und strömt die Kanäle der Brennstoffbündel entlang. Dann strömt dieses Wasser durch die oberen Ankerplatten (68 in Fig. 2) der Brennstoffbündel hindurch und gelangt in den Dom 27. Innerhalb der Strömungskanäle dient dieses Wasser als Moderator und als Kühlmittel für die Brennstoffstäbe. Es wird dabei zum Teil verdampft, so daß sich eine Dampf-Wasser-Mischung bildet.

Der zweite Teilstrom, der gewöhnlich als Nebenstrom bezeichnet wird und aus den restlichen 10% des Wassers besteht, das aus dem Vorratsraum 30 herausgepumpt wird, geht durch die ringförmigen Öffnungen 59 hindurch; die zwischen den äußeren Oberflächen an den oberen, Enden der Führungsrohre 24 gebildet sind. Dann durchsetzt dieser Teilstrom die zugehörigen Öffnungen in der unteren Gitterplatte 26. Dieser Teilstrom strömt durch diejenigen Zwischenräume nach oben, die sich zwischen den Außenseiten der Strömungskanäle der Brennstoffbündel und den Steuerstäben 32 befinden. Dann gelangt dieser Teilstrom durch Zwischenräume in den Dom 27 hinein, die zwischen den oberen Enden der Brennstoffbündel gebildet sind. Dieser Teilstrom dient dazu, die Steuerstäbe und die Strömungskanäle der Brennstoffbündel zu kühlen, so daß sich in diesen Gebieten kein Dampf bilden kann. Außerdem trägt dieser Teilstrom zur Moderatorwirkung des Wassers innerhalb der Brennstoffbündel bei. Die Qualität, der Dampf-Wasser-Mischung, die durch die Vereinigung der beiden Teilströme im Dom 27 entsteht, beträgt üblicherweise etwa 10 %.

In der F i g. 2 ist ein Brennstoffbündel dargestellt, in dem die untere Ankerplatte 25 gemäß der Erfindung verwendet ist. Das Brennstoffbündel 20 besteht ganz allgemein aus einem offenen rohrförmigen Kanal 62, aus Brennstoffstäben 64, der unteren Ankerplatte 25, der oberen Ankerplatte 68 und aus Abstandsstücken 70 für die Brennstoffelemente. Die Brennstoffstäbe 64 gehen durch die Abstandsstücke 70 hindurch, die sich an die Innenwand des rohrförmigen Kanals 62 anlehnen. Die: Brennstoffstäbe sind an diesen Abstandsstücken gehältert und sind außerdem noch mit ihren Enden an der oberen und der unteren Ankerplatte befestigt, so, daß die Brennsto.ffstäbe einen festen vorgegebenen Abstand voneinander haben. Die, Abstandsstücke'; der Brennstoffstäbe ,sind das Brennstoffbündel·.entlang in vorgegebenen Abständen angeordnet,;; die; beispielsweise 45 cm _; betragen können. Außerdem J sind; sie mit einem oder mehreren Brennstoffstäbeff verbunden, so daß sich die .-Abstandsstückei in" Längsrichtung i nicht; mehr Jbewegeh] könnemuZum;Verbinden der Brennstoffstäbe mit_Aden;:Abstahdsstücken gibt es verschiedene_jMögÜchkeiten._Mankann, beispielsweise einen'; oder Jmehrere;, Brerinstpflktäb^ mit^yerriegei lungsvorrichtungen versehen;^ dief den; gleichen Abcstand voneinander, habejiiü^g^fnrj^i; ^^ν'ψ-'ί' - ·,·;. Jeder;-: Brennstoffstab. 64iiweist ξ eine- langes Hülse auf,^r die spaltbares Material;Jwiei beispielsweise; angereichertes; Urandioxid XTO^enthält.;Das; spaltbare Material ist üblicherweise in_rFörm:yon^ Pillen hoher Dichte in diejBrennstoffhüiseJeingepackt; so daß die Pillen mit ihren Stirnflächen^ aufeinanderliegen. Man kann, das, spaltbare Materialί aber auch als Pulver : öder Partikelchen von, höher Dichte in die: Hülse einbringen und es in derjHüjse_; noch;, einm£j verdichten. Die beiden Enden der Brennstoffhülse sind

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verschlossen, so daß das.Kühlmittel;mit dem spalt- hindurchströmen können. Diejenigen Hälterüngen94,;' baren Material nicht in Berührung kommen kann. die ■ am Rand;; des Plattenteils 82 : angeordnet sindj' Außerdem können dann Spaltprodukte nicht: mehr sind zusammen mit dein, oberen. Ende des : Wandaus der-Hülse austreten. _; : .·.'" . :;:'. Stücks 84" aus. einem· Stück:-hergestellt. lÖiejenigen!

Die unteren Enden, der Brennstoffstäbe sind auf: 5 Halterungen 94,.die .im. Inneren Idesi Plattenteils. 82: die untere Ankerplatte 25. aufgesetzt und stimmen angeordnet. sind* sind durch'eine Anzahl voh^; Stegen; mit Aufnahmeöffnuhgen 72. überein, . die.. in .der 96 miteinander verbunden, mit denen: sie äus^! einernl Ankerplatte vorgesehen sind. Weiterhin ist ; die Stück hergestellt sind; Die;;Stege 96.sind: außen, äii, untere; Ankerplatte mit öffnungen 74 versehen, die; den !Halterungen 94 in; Winkelabständen von jeweils neben den ■ Aüfriahmeöffnüngeh 72 liegen und direkt- io. 90° angeordnet;: Die _: Halterungen 94 j sind mit, den mit der unteren Einlaßöffnung 76 in .Verbindung. Aufnahmeöffnungen 72 ; versehen, deren obere Känstehen. Das untere Ende des;rohrförmigen Kanals 62 ten:.konischi.abgeschrägt?sind,-:.so:: daß die; ,unteren? paßt nach unten um das obere Ende der Ankerplatte Enden: derί Brennstoffstäbes:aüfj .diesen', konisch! iähH herum. Däsuntere; Ende der Ankerplatte ist.äbge-; geschrägten- Kan ten>^ sitzen.; Die' Aöffnüngetf 74; ν die' schrägt und: weist einen konischen; Sitz 78: aufy der. 15; amvRand-.des, Plattenteils 82 angeordnet sind; sind? am besten in Fig..4 zu sehen ist. Wenn das_;Brenn-J ' zwischen'auBerenlOberflacheh; der ι Halterungen 94ji stöffbündel in den Reaktor eingesetzt isty ruhtdieser, der;_:Stege96 ündi;des-Wandstücks: 84, !gebildet. 1 Di Sitz auf einem derrSockel; die oben auf dem Füh-i öffnungen;74;; vdie ^; im inneren.idPlil rüngsrohr24 'gemäß Fig. 1 angeordnet/sind.· Das; angeordnet; sinäyvsindiivonviden^ untere Ende;der, Ankerplatte ist weiterhin mit.einer] 20; Halterungen94.; und;^ der;;?.Stege96j;umrahmt. Die,· Nase 80 -versehen, die aus drei gekrümmten Teilen; mittlere -Aufnahmeöffnühg^'. weist; einen; quädja^; besteht, die am. Rand der öffnung 76 einen Abstand tischen Querschnitt auf, in den ein., quadrätischeri von 120° haben und ganz unten, miteinander yer-;, Halterungsstiftreingesetzt.-wirdvider untenamzgnbühden sind: Diese Nase, erleichtert das Einsetzens tralen Brennstoffstab rahgeordnet ist.. Deripzehträie: des Brenhstoffbundels in .den. -_; Reaktorkern - und; 25- Brennstoffstab l·: ist: mit •'yerriegelüngsyorrichtüngen! schützt; außerdem /das Brenrtstoffbündel. beim- Ein-; vergehen, ^die-ini' Längsrichtung;; in-; den: .richtigen.: setzen. : ,^: ο ,..-, ■:-, ._;, : :r ; - ;> ί;·.;ίί Abständen angeordnet. sind und am den ,Abstaridsr.

In den, Fig. 3 bis- 6sind Einzelheiten der unteren stücken7Ö. ides 'Brennstoffbundelssaus¹ Fig:2^; an4: Ankerplatte, gemäß der,:, Erfindung dargestellt.; Die; greifen.; .Wenn der: quadratische Halterungsstiftisdes Hauptbestandteile dieser Ankerplatte "sind: eineheneri 30;, zentralen ', Brerinstoffstabs in !die.' quadratische'(Auf-I Plattenteil 82, der; mit reinem rohrförmigen Wand-; nahmeöffnung,eingesetzt;ist,: kann sich,;der..zentrale stück 84 verbunden ist.;Das rohrförmige Wandstüek Brennstoffstab:nicht mehr; drehen^-Csoi daß)die. Äb4 84 geht in ein Übergangswahdstück 86 über, zudem; Standsstücke 70.; fixiert, bleiben., τ Eine;. Anzahl.;: Von auch der konische. Sitz 78 gehört;¹ Das; Übergangs- Aufnahmeöffnungen;;' wie» beispielsweise ν die ;..Auf^ wandstüek 86 geht unten in eine zylindrische Halte- 35. nahmeöffnungeri.72",..:sind.iftiitoGewinde;;versehen; rung 90 . überj: von der die Nase 80 ausgeht.: Der, in die; Brennstoffstäbe, eingeschraubt wjerdenhkörineni' Strömungsweg . des¹. Moderators und ,_; Kühlmittels die ebenfalls: miriGewindebverseheil, sind. ;Aufi.diese? durch : die_; untere .. Ankerplatte; hindurch ist j der Weise,- könrteq. i die; [ obere;/ und · ,untere;. Ankerplättei folgende: Zuerst■-tritt die Strömung,durch diejehigeri⁷ mechanisch miteinander verbunden werden. jil

öffnungen, in die :.untere Ankerplatte ein,. die-sich: 40. fr.Wieden.Figi-S. ünd;.4:.:zujentnehmeii;istj;sis.tider zwischen den gekrümmten; Teilen 102 der Nase 80 Querschnitt desj Wandstücks 84?.lim,Vwesehtlichenl befinden; Daraufhin strömt die Flüssigkeit durch die; quadratisch. Dieses Wandstüek > ist ;alißen-;äh;,.seirierni zylindrische Haltefurig90hhindurch; Dann igelangt. unteren^·Teil·.mit vier (Schultern 985:Yersefien;)oWie: die Flüssigkeit in das Übergangsw^andstüpk 86 hinein^; in....deft Ei g.-2;Und_A4,_idargestelit'is.titgleitet;d9r:;StrÖT; dessen QuerschnittiriStrö.rhürigsrichtunggrößepwirdö 45? mungskanal 62 ,;über?,dieii; äüßerescOberflächeri ^de,st Dortj-wd die-Strömung eintritt, ,ist; der, Querschniti Wandstücks 84^ Wenn_;;däs iBr6nnstQffi)ündeln zusamt des HÜbergangswandteilS 86·. kreisförmig.j Der;! Quet-> mengesetztj und ?der ReaktöfiinirBetfjeb! geripmmeiji", schnitt j des nÜbergarigswiändstÜGks 86.T:;läuft.r?riach; ist; sind:.;dieajA-bmessuiig6nl;undi,diei ALUsdehnungs-ti außen ,auseinandernund; geht; in?demjenigen Gebiet- eigenschafteni^deri;; verschiedenen r|fEinzejteile_;o j des]: iidtihQbi^,ίBrennstof^^

des-, Strömungskahals^^cmhAdenbSchuiterri-^

ßi.ig in;Berühmng;kommt._:Die^chyitern98 dienen daherj

ir;rohrförmige,!:!,Wandstüek 84 ;hindü;rc.h"ir fikuden -Sitrömungskanat^ii.als^yHiifsansöW dessen;;ftQuerschnitt^durehwegiigleichförmigi^und; zurn/Tragenj-kommenj ^yenilidie^i^satZeiipp^deiekl; quadratisch ίisiaj Schließlich)! strörnt.fdievpFiüssigkeifi 55i werdenii die_;. über/idjetoberenv^k^^e^.Käiiais-öi^ durch:,die,öffnurt|eh 7.4;des;·-flach6n_};Plattenteils.82_; gehegt sind; da_:in;dies^

hindurch i i und t tntt_Ä,ini derii$trömungskariai ^ijdesi hachjunten gleiten _;yyiür^e;_i;Es- sei:, bemerkt^,.daß ,.die j BrennstoOTiutid^sTcieinishyieoesianiFig^ jdäi-gQs.teiiti Strecke/4 (sieh^_;F\i&.=4,)jdje miiereiiG.rejizJt.derjeni^ istirrs.i sib ,fifffii;. nswiuiisdw; oiiiüdiioinituuti; --Wb. gen Entfernung darstellt, üben ,die sjchj dä4₀ -)WieAaustideriätJPiigfii j uiidi^oheivorgeiSlt^risi-der) 6oj Endejjdes;,:Sjrömurtgskanahj62 jiindj cjäSj pber^ UrnfangtidesiJPlattenteiis, 82r_:imi;\ye$e:rttiiQhen quadr^ desi^apdstücks; 84, üteriappen^ojl^eii.jÖies^^^^ tisch. Außetdem.sind_;di§:untere pnd;.jdie;jab.e,re,_F.l.äche;i; wen^igj^ur^jNebenstro^

des,-!Plattenteils;8U₁ ebeniausgebildet._G]p_er> PJattenteih Brßnnstoffbündeis zum.-YarTats/auni,30^m,,§ea|tp%_; e^.istimitiden.Äufnahmeöffnungen,;?^ yjej-sehen_flinA kessel zühvejme;den;rp^ denen-'diöiBrenünstoffstäber,sitzerk,₁Diese/AufnahmeT}65_;·. Ste^

öffnungen. 72i befinden sieh iff HaUemngen^.rAüßer-/ lapRen_i,betr.ägt;,v9rOTgsw,eJBe,_jetwa,2,5_j^^^ w.enn.das^ dent; ist; deüJrPJattenteilr82?jmi;t ,0ffnungen;74Qver7/ SpieUj ini;;Umfangsrich^tung₂ zwischen·, jder _t iiinerenr sehen, durch die des;Moderator* un4;;dasjgiuhlnvttel^r Fläche 4es iStromungsXanalSo^bUndiiderauOe^^

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Fläche des Wandstücks 84 etwa 0,25 mm beträgt. Ankerplatte nach der Erfindung. Die F i g. 8 und 8 A

Wenn der Reaktor in Betrieb genommen und von zeigen einen Diagonalschnitt und eine Draufsicht

einer Temperatur von etwa 20° C auf eine betrieb- auf eine Ankerplatte, bei der der Strömungseintritts-

liche oder heiße Temperatur von etwa 285° C auf- winkel zu groß ist. Die Fig. 9 und 9 A zeigen einen

geheizt wird, ist die Ausdehnung des Strömungs- 5 Diagonalschnitt und eine Draufsicht auf eine untere

kanals 62 etwa 1 cm größer als die Ausdehnung der Ankerplatte, deren Strömungseintrittswinkel so klein

Brennstoffbündel. Das ist durch die Strecke B und ist, daß die Länge der Ankerplatte zu groß wird,

durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 gezeigt. Die Der Winkel Q₁ der Ankerplatte nach Fig. 7 be-

Streeke C beträgt etwa 7,5 mm. Dieser Abstand wird · trägt etwa 50°. Dies ist etwa der maximal zulässige

vorgesehen, um zu vermeiden,. daß sich bei der io Wert für den Strömungseintrittswinkel. Man sieht

Addition der Toleranzen des Brennstoffbündels die aus den Fig. 7 und 7 A,; daß sich die Strömung in

untere Kante des Strömungskanals 62 auf die Schul- den Ecken des Übergangswandstücks 86 der unteren

ter 98 der unteren Ankerplatte auflegt. ·■ Die äußere Ankerplatte noch nicht ablöst, wenn die Geschwin-

Oberfläche; des Wandstücks 84- hat einen qua- digkeit des Moderators'. und Kühlmittels in der

dratischen Querschnitt, so daß der Strömungskanal 15 zylindrischen Halterung 90 etwa 4,5m/sek beträgt.

62 ^:über das Wandstück 84 geschoben werden kann. Eine Strömungsgeschwindigkeit von 4,5m/sek ist

Auch deri· Querschnitt' der Innenfläche des.Wand-r etwa die maximale Strömungsgeschwindigkeit, die

. Stücks 84 ist quadratisch^ so daß sämtliche Brenn- beim Betrieb eines typischen: Kernreaktors auftritt,

stoffelerriehte von'der Strömung erfaßt werden kön- Daher werden" alle Brennstoffstäbe, also auch die

nett; die in einem praktisch quadratischen Raster ao Eckstäbe, ausreichend mit Kühlmittel bzw. mit

angeordnet sind,· wie es am besten aus den Fig. 2 Moderator versorgt.¹ Zusätzlich wird durch die Wahl

und 3 hervorgeht.- · : <ν : -('■ des Winkels Q₁ zu 50° die axiale Höhe I₁ des Über-

Die¹ Wanddicke des Übergangswandstücks 86 ist gangswandstücks 86 der unteren Ankerplatte merküberairgleich, wie es am; besten aus den Fig. 4 lieh verringert, so? daß auch die gesamte HöheL₁ und 6 hervorgeht; Das Übergangswandstück läuft nach 25 der unteren¹?Ankerplatte abnimmt. Außerdem hat unten zusammen ^;und stellt den Übergang zwischen sich herausgestellt^ daßi bei: der¹ Verwendung eines dem quadratischen Querschnitt am unteren Ende Eintrittswinkels G)₁: von etwa 50° übermäßig große des Wandstücks 84 und dem kreisförmigen^; Quer- Spannungen ini/der unteren Ankerplatte nicht aufschnitt am oberen der zylindrischen Halterung 90 treten, so daß^; das ■ Brennstoffbündel während: des her. Die Größe des Winkels, mit dem das Übergangs- 30 Einsetzens der Brennstoffbündel in den Reaktorkern wandstück ^: nach unten zusammenläuft, ist eine und während aller¹ Betriebsbedingungen zuverlässig kritische Größe. Das wird noch im einzelnen erörtert. gehaltert ist. Der Winkel Θ4, der in F i g. 6 dargestellt

Der konische Sitz 78 ist am unteren Ende des ist, beträgt etwa 40°. Dieser Winkel hat sich während Ubergangswandstücks 86 eingearbeitet. Dieser Sitz des Reaktorbetriebs'als zufriedenstellend erwiesen.
78 legt das Brennstoffbündel in senkrechter und in 35 In der Fig. 8 ist schematisch eine untere Ankerwaagerechter Richtung fest, wenn das Brennstoff- platte dargestellt^ bei der der Strömungseintrittsbündel auf das obere Ende eines Führungsrohrs 24 winkel Θ₂ etwa 70° beträgt. Aus den Fig. 8 und 8A im Reaktor aufgesetzt ist, wie es in Fig. 1 dargestellt geht hervor, daß sich die Strömung in der Nähe der ist. ■ ; ·: r ; Wandteile86' der unteren Ankerplatte ablöst und

Die zylindrische Halterung 90 geht vom unteren 40 daß sich an dieser Stelle Dampfblasen bilden; wenn Ende des Wandstücks 86 : aus: Die zylindrische die Strömungsgeschwindigkeit des Moderator- und Halterung 90 trägt "zur!effektiven Länge des Brenn- des Kühlmittels in der zylindrischen Halterung: die stoffbüridels nichts bei, wenn das Brennstoffbündel gleiche ist, wie im Beispiel nach Fig.7. Ein großer im Reaktor eingesetzt ist, da die zylindrische Halte- Strömungseintrittswinkel Θ₂ führt auch auf eineTunning 90 hv die Söckel'eingesetzt wird, die am oberen 45 günstige Strömungsverteilung in den unteren Gebieten Ende eines Führungsrohrs 24 aus F i g¥ 1 angeordnet des Brennstoffbündels, da das Kühlmittel hauptsind.· Die zylindrische Halterung 90 dient haüptsäch- sächlich durch die Mitte des flachen Plattenstücks 82 lieh dazüj das Brennstoffbündel in Querrichtung zu hindurchströmt. Daher fließt an den Eckstäben fixieren; wenn während des Reaktorbetriebs nennens- weniger Kühlmittel als an dem zentralen Stab vorbei; werte · Schwingungen auftreten; oderi Querkräfte auf 50 so daß die Eckstäbe zu heiß werden können^ Die: das^Brehnstoffbündel* ausgeübt¹ werden:MWie■'■ am Ablösung der Strömung von den Wandteilen 86'; besten in den F i g: 4 bis 6 zu sehen; ist, gehen vom führt zur Bildung von Dampfblasen 104 ini dem unteren Έήαβ der zylindrischen Halterungen 90 drei¹ Kühlmittel, die einen merklich niedrigeren Wärmegekrümmte Körper 102ab; die sich in einem gemein- Übergangskoeffizienten als das Kühlmittel in flüssiger samen Punkt vereinigen und zusammen die Nase 80 55 Phase aufweisen. Dadurch können die Eckstäbesin bilden; Did Nase801 dient dazu; das Brennstoffbündel· dem unteren Gebiet des Brennstoffbündels überhitzt beim Einsetzen in^! den Reaktor zu führen. Außerdem werden. Dieses ist aber ungünstig; da die Übern schützt'diese Nase das Brennstoffbündel, wenn es hitzung der Brennstoffstäbe eine schnelle Zerstörung auf seinem Ende ruht! der Brennstoffhülse herbeiführen kann, die unter

In den Fig. 7 bis 9 sind drei verschiedene untere 60 extremen Umständen sogar schmelzen kann. Außer-

Ankerplatten dargestellt, die sich in ihrem Eintritts- dem ist eine Überhitzung am unteren Ende des

winkel für die Strömung unterscheiden. Dieser Strö- Brennstoff stabs auch deswegen' ungünstig^ da da-

mungseihtrittswinkel bestimmt die Strömungseigen- durch so große Temperaturunterschiede Zwischen

schäften des Moderators und Kühlmittels, das durch dem unteren Hülsenende und dem'Verschlußpfrop-

die unteren Ankerplatten hindurch den Brennstoff- 65 fen entstehen können, mit dem die Hülse unten

stäben in dem Brennstoffbündel des Kernreaktors verschlossen ist,- daß die Schweißnaht beschädigt

zugeführt wird. Die F i g. 7 und 7 A zeigen einen werden kann, durch die die Brennstoffhülse mit dem

Diagdnalschnitt und eine Draufsicht auf die untere Verschlüßpfropfen verbunden ist. : ; S"^; ,?-'■■■

In der F i g. 9 ist schematisch eine untere Ankerplatte dargestellt, bei der der Strömungseintrittswinkel Θ3 etwa 20° beträgt. Aus den Fig. 9 und 9 A geht hervor, daß sich die Strömung vom Übergangswandstück 86" der unteren Ankerplatte zwar nicht ablöst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in der zylindrischen Halterung die gleiche wie im Beispiel nach F i g. 7 ist, so daß alle Brennstoffstäbe, das heißt auch die Eckstäbe, ausreichend gut mit Moderator- und Kühlmittel versorgt werden. Aber aus einem Vergleich mit der F i g. 7 ist ersichtlich, daß die Höhe I₃ des Übergangswandstücks 86" der

unteren Ankerplatte nach F i g. 9 merklich größer als die Höhe I₁ des Übergangswandstücks aus F i g. 7 ist und daß daher die Gesamthöhe L₃ der unteren Ankerplatte nach Fig. 9 zu groß wird.

Vorstehend ist also ein Brennstoffbündel für einen Kernreaktor beschrieben worden, dessen Höhe besonders klein ist, das außerdem eine ausreichende mechanische Festigkeit bietet und bei dem Störungen in den Strömungsverhältnissen für den Moderator und das Kühlmittel vermieden werden, durch die das Wärmeübergangsverhalten im Kernreaktor beeinträchtigt werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Wandstück mit quadratischem Querschnitt verbun- Patentansprüche: den ist, wobei das .zweite Übergangswandstück ko nisch zusammenlaufend ausgebildet ist und den

1. Brennstoffbündel; für ■ Kernreaktoren mit Übergang von dem quadratischen Querschnitt zu einer Anzahl von in einem quadratischen Raster 5 einem kreisförmigen Querschnitt vermittelt und woangeordneten Brennstoff stäben, die von einem bei das kreisförmige Ende des zweiten Übergangs-Strömungskanal mit quadratischem Querschnitt wandstücks einen Einlaß für den Kühlmittelstrom zu umgeben sind, wobei die Enden der Brennstoff- den öffnungen bildet. ,Ji

stäbe an einer oberen und an einer unteren An- Bei der Kernspaltung werden¹ bekanntlich große

kerplatte befestigt. sind, die untere Ankerplatte io Energiemengen freigesetzt. Dabei .wird die kinetische einen ebenen Plattenteil aufweist, der* mit Auf- Energie der Spaltprodukte sehr rasch als Wärme im nahmeöffriungeri; für'dielkermstoffstäb^ Die Wärme wird dann

öffnungen versehen "ist, durch die Kühlmittel durch ein kühlmittel abgeführt, das am Kernbrennhindurchfließen,;. kann,'; die- untere. ,Ankerplatte stoff vorbeifließt. .".;

weiterhin ein.. erstes Wandstück mit. quadrati- 15 Um die Kernspaltung mit einer Geschwindigkeit schem Querschnitt'aufweist,' das am: Rand'des ablaufen lassen zu können, die die Erzeugung ver-Plattenteils befestigt, ist:, und die untere Anker- .wertbarer Wärmemengen . gestattet, werden heute platte schließlich noch "ein zweites Übergangs- Kernreaktoren konstruiert und betrieben, in denen, wandstück aufweist,- däsi-mit dem ersteh vWänd- das spaltbare Material in Brennstoffelementen unterstück mit quadratischem Querschnitt verbunden 20 gebracht ist, die als Platten, Röhren oder als Stäbe ist, wobei das zweite Übergangswandstück ko- ausgebildet sind. Der Zweckmäßigkeit halber sollen nisch zusammenlaufend ausgebildet ist und den daher die Brennstoffelemente nachfolgend als Brennübergang von dem quadratischen Querschnitt zu Stoffstäbe bezeichnet:werden;.Solche Brennstoffstäbe einem kreisförmigen Querschnitt vermittelt und weisen üblicherweise eine , korrosionsbeständige wobei das kreisförmige Ende des zweiten Über- 35 Brennstoffhülse auf, die weder spaltbares noch brütgangswandstücks einen Einlaß für den Kühl- bares Material enthält. Die Brennstoffstäbe werden mittelstrom zu den öffnungen bildet, dadurch in vorgegebeaen Abständen"voneinander in Gruppen gekennzeichnet, daß der maximale Nei-· angeordnet und als Brennstpffbündel in einen Kühlgungswinkel (Θ) zwischen der Längsachse des mittelkanal eingesetzt. Zum Aufbau des Reaktor-Brennstoffbündels (20) und der Wand des Strö- 30 kerns, in dem die Spaltungskette von selbst weitermungskanäls, unter dem das Übergangswand- läuft, ^: werden eine ausreichende Anzahl solcher stück (86) konisch zusammenlaufend ausgebildet. .. Brennstoffbündel zusammengefaßt. Der Reaktorkern ist, im Bereich von etwa 40 bis 50° liegt. wird üblicherweise in einen Reaktorkessel eingesetzt.

2. Brennstoffbündel nach: Anspruch"^: I^ da-^{: L}--Bei'der Auslegung von Kernenergieanlagen werdurch gekennzeichnet, daß an das Ende des 35 den erhebliche Anstrengungen unternommen, die Übergangswandstücks (86) mit kreisförmigem Größe bzw. die Abmessungen des Reaktorkessels zu Querschnitt ein kurzes zylindrisches Wandstück vermindern, da dadurch erhebliche Kosten einge-(90) angesetzt ist. spart .werden können. Die .Verringerung der Kessel-

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 2, gekenn- . dimensionen wird ganz allgemein durch die Verkleizeichnet durch eine Nase (80), die durch drei von 40 nerung verschiedener. Bauteile, ermöglicht, die innerdem kurzen zylindrischen Wandstück (90) aus- halb des Kessels angeordnet werden sollen. Hierfür gehende gekrümmte Teile_; gebildet ist,, deren,¹;v{ -ko^mn?^en i^m besonderen diejenigen Bauteile in Frage, andere Enden in' einem gemeinsamen Punkt ver-' ■ aus denen der Reaktorkern aufgebaut ist. Man kann bunden sind. also beispielsweise versuchen, die Anzahl und die

4. Brennstoffbündel nach, Anspruch 2 oder 3, 45 Länge der .Brennstoffbündel zu. verringern, zu denen dadurch gekennzeichnet, daß die/Außenwand des^ ^ die ein inte-Übergangswandstücks (86) dort als konischer Sitz ;ΐ gralerBestandteilseines Brennstoffbündels ist. Da ausgebildet ist, wo der Querschnitt des Über- S= die"unterer Ankerplatte einmal die Brennstoffstäbe gangswandstücks kreisförmig ist. haltert und zum anderen als Strömungseintritt für

¹ ■ 50 die Moderator- und Kühlflüssigkeit dient, muß je-

' doch darauf geachtet werden^ daß eine solche Ver-

ringerung der Abmessungen der unteren Ankerplatte

keine störenden Einflüsse auf die Strömungsyerhält-

Die Erfindung bezieht "sich auf Brennstoffbündel nisse oder auf andere Funktionen hervorruft,
für Kernreaktoren mit einer Anzahl von in einem 55- -*In der,USA^-Patentschrift;3463 585 j_st beispielsquadratischen Raster angeordneten Brennstoffstäben, weise ein Kernreaktor^ m^

die von einem. Strömungskahai ■ mit quadratischem beschrieben; das'ärf's^me'm^umeren Ende _ej_{ne ro}hr-Querschnitt umgebenf sindjfKwobei die Enden der förmige Verlängerung^ be«t|t|itiie? einen Kühlmittel-Brenhstoffstäbe an eiriex oberen und an einer unteren einlaß bildet^ Dätö&istf jedochfe ein c kegelförmiger Ankerplatte befestigtlsind·? die; untere'. Ankerplatte 60 Übergangv mit einem!Emtntfe^inkel (dieser Winkel einen ebenen Plattenteil'aüfweisti; der mit Aufnähme- wird zwischen der Längsachse*des Brennstoffbündels öffnungen für die Brennstbffstäbe und mit. öffnungen und der Wand des Strömungskahals gemessen) von versehen ist, durch dieΓ kühlmittel: hindurchfließen etwa 90° angegeben, so daß die Gefahr besteht, daß kann,-die untere Ankerplatte weiterhin ein erstes sich die Strömung von deh> Wänden ablöst und Wandstück mit quadratischem Querschnitt aufweist, 65 außerdem Dampfblasen in dem Moderator bzw. im das am Rand des Plattenteils. befestigt ist und die Kühlmittel gebildet werdehä Da der Wärmeüberuntere Ankerplatte .schließlicli noch ein zweites gangskoeffizient solcher Dampfblasen erheblich klei-Übergangswandsrück aufweist, das mit dem ersten ner als der Wärmeübergangskoeffizient im Kühlmittel