DE1589849C3 - Brennstoffbündel für Kernreaktoren - Google Patents
Brennstoffbündel für KernreaktorenInfo
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- DE1589849C3 DE1589849C3 DE1589849A DE1589849A DE1589849C3 DE 1589849 C3 DE1589849 C3 DE 1589849C3 DE 1589849 A DE1589849 A DE 1589849A DE 1589849 A DE1589849 A DE 1589849A DE 1589849 C3 DE1589849 C3 DE 1589849C3
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- G21C—NUCLEAR REACTORS
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- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
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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;
. 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 mitc 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 38jzurückfeEsa^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.
. 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 38jzurückfeEsa^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 mitAden;:Abstahdsstücken gibt es
verschiedenejMögÜchkeiten._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 inrFörm: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
7 8
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;UndA4,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 tnttÄ,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-sehenflinA kessel zühvejme;den;rp^
denen-'diöiBrenünstoffstäber,sitzerk,1Diese/AufnahmeT}65;·. Ste^
öffnungen. 72i befinden sieh iff HaUemngen^.rAüßer-/ lapReni,betr.ägt;,v9rOTgsw,eJBe,jetwa,2,5j^^^ w.enn.das^
dent; ist; deüJrPJattenteilr82?jmi;t ,0ffnungen;74Qver7/ SpieUj ini;;Umfangsrich^tung2 zwischen·, jder t iiinerenr
sehen, durch die des;Moderator* un4;;dasjgiuhlnvttelr Fläche 4es iStromungsXanalSo^bUndiiderauOe^^
9 10
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
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. 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{ -komn?en im 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 jst beispielsquadratischen Raster angeordneten Brennstoffstäben, weise ein Kernreaktor^ m^
für Kernreaktoren mit einer Anzahl von in einem 55- -*In der,USA^-Patentschrift;3463 585 jst beispielsquadratischen Raster angeordneten Brennstoffstäben, weise ein Kernreaktor^ m^
die von einem. Strömungskahai ■ mit quadratischem beschrieben; das'ärf's^me'm^umeren Ende ejne rohr-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
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US58152466A | 1966-09-23 | 1966-09-23 |
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- 1967-09-14 CH CH1284467A patent/CH470728A/de not_active IP Right Cessation
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- 1967-09-22 BE BE704181D patent/BE704181A/xx unknown
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ES344973A1 (es) | 1969-03-01 |
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |