DE3022687C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Brennelement ist bekannt aus dem DE-GM 18 77 577. Die darin verwendeten Brennstäbe bestehen aus Brennstofftabletten, die in einem Brennstoffrohr angeordnet sind.

Die für Siedewasserreaktoren am häufigsten verwendeten Brennelemente (siehe beispielsweise die DE-AS 18 16 561) enthalten 64 Brennstäbe, die in einem sie umhüllenden Brennelementkasten mit quadratischem Querschnitt angeordnet sind. Infolge des Strömungswiderstandes in dem Brennelementkasten muß das Kühlwasser in Längsrichtung der Brennstäbe durch den Brennelementkasten gepreßt werden. Es ist dabei ein innerer Überdruck vorhanden, der die ebenen Seiten des Kastens auf Biegung beansprucht. Aufgrund dieser Biegebeanspruchung bei erhöhter Temperatur und gleichzeitiger Neutronenstrahlung kann eine unerwünschte bleibende Verformung auftreten. Um diese Verformung in angemessenen Grenzen zu halten, muß der Brennelementkasten aus kräftigem Blech aufgebaut sein. In einem Brennelementkasten für 64 Brennstäbe beträgt die Blechdicke im allgemeinen ca. 3 mm. Der große Querschnitt des in einem Brennelementkasten untergebrachten Brennstabbündels hat zur Folge, daß der Neutronenfluß variiert, da der Neutronenfluß in Abhängigkeit des Dampfgehaltes des Kühlwassers variiert, so daß der Neutronenfluß in der Mitte des Brennelementkasten-Querschnittes am niedrigsten ist.

Aus dem DE-GM 18 77 577 ist ein Brennelement bekannt, bei welchem vier Brennstabbündel in einem gemeinsamen Brennelementkasten angeordnet sind, wobei jedes Brennstabbündel von einer Wand umgeben ist, die von einem Eckbereich des gemeinsamen Brennelementkastens und einem rechtwinkligen Blech gebildet wird. Die vier rechtwinkligen Bleche, die mit der Wand des gemeinsamen Kastens verbunden sind, bilden einen die vier Brennstabbündel voneinander trennenden kreuzförmigen Spalt, der an seinen vertikalen Endseiten durch die Wand des gemeinsamen Brennelementkastens vollständig geschlossen ist und in welchem ein Steuerstab angeordnet ist.

Aus der US-PS 40 76 586 ist ein Reaktorkern bekannt, bei dem zur Aufnahme von Brennelementen dienende quadratische Kästen an ihrem unteren Ende mit einer ein zentrales Loch aufweisenden Bodenplatte versehen sind und die mit dieser Bodenplatte einerseits über eine zentrale Hülse und andererseits durch Schrauben mit der unteren Gitterplatte fest verbunden werden, bevor ein oder mehrere Brennelemente in jedem Kasten eingesetzt werden. Jedes Brennelement ist individuell über ein am oberen Ende befindliches Endstück hängend in einem der genannten Kästen eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die Möglichkeit besteht, mit einer geringeren Materialmenge für die die Brennstäbe umgebenden Kästen auszukommen, ohne daß die erwünschte gleichmäßige Leistungsverteilung gegenüber dem bekannten Brennelement verschlechtert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Ein Brennelement nach der Erfindung kann in bereits vorhandenen Reaktoren verwendet werden, was besonders wertvoll ist. Durch die Erfindung werden die Brennstoffkosten herabgesetzt und die Bereitstellung und Handhabung der Brennstäbe werden erleichtert, da weit weniger Brennstoffe mit unterschiedlichem Anreicherungsgrad als bisher erforderlich sind, ja sogar für das gesamte Brennelement Brennstoff mit demselben Anreicherungsgrad verwendet werden kann.

Gemäß der Erfindung enthält jedes Brennelement vier Kästen mit quadratischem Querschnitt, von denen jeder ein Brennstabbündel umschließt. Die Kästen sind an ihrem unteren Ende an ein gemeinsames Bodenteil und an ihrem oberen Ende an ein gemeinsames Oberteil angeschlossen. Die Kästen können lösbar mit dem Bodenteil bzw. mit dem Oberteil verbunden sein. Hierdurch wird es möglich, die Kästen mit ihren Brennstabbündeln in dem Brennelement umzuplazieren oder die Kästen mit ihren Brennstabbündeln um ihre Längsachse zu drehen, wobei die Kästen ihre bisherige Position im Brennelement beibehalten. Das Brennelement kann auch so aufgebaut sein, daß die Brennelementkästen mit dem Bodenteil bzw. dem Oberteil fest verbunden sind, während die Brennstabbündel zwecks Umplazierung im Brennelement aus ihren Kästen herausgezogen werden können. Aus Festigkeitsgründen kann es zweckmäßig sein, die Kästen mit einem großen Eckradius auszubilden. In den Eckpositionen werden dann vorzugsweise Brennstäbe angeordnet, deren Durchmesser kleiner ist als der der übrigen Stäbe des Brennstabbündels. Eine weitere Möglichkeit, die Bremsleistung zu verbessern, so daß man einen gleichmäßigeren Neutronenfluß und eine gleichmäßigere Leistungsentwicklung im Brennstabbündel erhält, besteht darin, einen Brennstab im inneren Teil des Bündels durch ein leeres Brennstabrohr mit freiem Durchlauf für Kühl- und Moderatorwasser zu ersetzen. Um Schwingungen oder Vibrationen zu verhindern, können die Kästen des Brennelementes an einer oder mehreren Stellen zwischen dem Bodenteil und dem Oberteil durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden sein.

Anhand der Figuren soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch mehrere Brennelemente gemäß der Erfindung in einem Reaktorkern,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Brennelementes,

Fig. 3 im größeren Maßstab einen Schnitt durch einen Kasten mit einem Brennstabbündel.

In Fig. 1 werden mit 1 kreuzförmige Steuerstäbe bezeichnet. Zwischen einer Gruppe von vier benachbarten Steuerstäben ist eine Gruppe von vier Brennelementen 2 angeordnet. Jedes Brennelement enthält vier Kästen 2a, 2b, 2c und 2d mit quadratischem Querschnitt. In jedem Kasten befindet sich ein Brennstabbündel 3. Die Kästen 2a, 2b, 2c und 2d sind unten an ein gemeinsames Bodenteil 4 angeschlossen, das an die untere Gitterplatte des Reaktorkerns angeschlossen wird und das Kühlwasser auf die vier Kästen des Brennelementes verteilt. Oben sind die Kästen an ein gemeinsames Oberteil 5 angeschlossen. Zwischen dem Bodenteil 4 und dem Oberteil 5 können die Kästen 2a-2d an einer oder an mehreren Stellen durch ein Verbindungsstück 6 miteinander verbunden sein. Wie Fig. 3 zeigt, können die Kästen 2a-2d mit großen Eckradien ausgeführt sein, und die vier Eckbrennstäbe 3a können einen kleineren Durchmesser als die übrigen Brennstäbe 3b haben. Ein Brennstab kann durch ein Rohr 7 mit freiem Durchlauf ersetzt werden.

Dadurch, daß man ein Brennelement aus vier Kästen 2a-2d mit gemeinsamem Bodenteil 4 und Oberteil 5 aufbaut, ist es möglich, die wirtschaftliche Ausnutzung des Brennstoffes sowohl bei neuen wie auch bei bereits in Betrieb befindlichen Reaktoren zu verbessern. Es können bereits erprobte Konstruktionen zur Aufstellung der Brennelemente verwendet werden.

Durch die kreuzförmige Spalte 8 zwischen den vier Kästen 2a-2d des Brennstoffelementes 2 erhält man eine dampffreie Wassermenge, die ein größeres Bremsvermögen und somit einen gleichmäßigeren Neutronenfluß über den Querschnitt des Brennelementes, eine gleichmäßigere Leistungsentwicklung und einen gleichmäßigeren Abbrand bewirkt. Der Bedarf an Anreicherungsvariationen im Brennelement wird geringer oder verschwindet ganz. Da die Spalte 9 und 10 zwischen zwei Brennelementen 2 größer sind als die Spalte 8 zwischen den Kästen 2a, 2b, 2c und 2d, ist der Neutronenfluß und damit die Leistungsentwicklung nahe den Spalten 9 und 10 etwas größer.

Durch Umplazierung von Kästen mit ihren Brennstäben oder Vertauschen der in den Kästen befindlichen Brennstabbündel, wie es die Pfeile 11 in Fig. 1 zeigen, kann der ungleichmäßige Abbrand verhindert werden. Wie gezeigt, tauschen die Kästen 2a und 2c sowie 2b und 2d ihren Platz. Eine weitere Möglichkeit, einen Ausgleich des Neutronenflusses, der Leistungsentwicklung und des Abbrandes zu erreichen, besteht im Austausch eines Brennstabes gegen ein leeres Rohr, durch das Kühl- und Moderatorwasser frei hindurchlaufen kann. In der Mitte des Brennelementes kann eine Stange 12 angeordnet sein, die das Bodenteil 4 und das Oberteil 5 des Brennelementes verbindet und zusammenhält. Bei einer Ausführung eines Brennelementes, bei der die vier Kästen des Brennelementes miteinander verbunden sind, kann das Brennelement einen kreuzförmigen, vorübergehend eingesetzten Absorberstab 12a mit einem abbrennbaren Absorber enthalten, der nach einer gewissen Zeit anläßlich einer Brennstoffumplazierung oder dem Brennstoffwechsel entfernt werden kann. Das Bodenteil des Brennelementes soll mit einem Aufteilungskreuz 13 versehen sein, das sich in oder durch die Drosselöffnung im Bodenteil 4 erstreckt. Hierdurch wird das Bodenteil 4 in vier Kanäle aufgeteilt, die garantieren, daß die durch jedes der vier Kästen hindurchströmende Wassermenge gleich groß ist, auch wenn der Strömungswiderstand in den Kästen unterschiedlich sein sollte. Durch Aufteilung des bei bekannten Brennelementen verwendeten einzigen großen Brennelementenkastens in vier kleinere Kästen erhält man eine größere Kastenfläche. Da jedoch die Abmessungen des einzelnen Kastens kleiner sind, erhält man eine derart verkleinerte Biegebeanspruchung, daß die Blechdicke um mehr als 50% herabgesetzt werden kann. Die Menge an Kastenmaterial wird also erheblich geringer und damit auch die unerwünschte Neutronenabsorption. Gleichzeitig erhält man mehr Platz für eine dampffreie Wassermenge und eine gleichmäßigere Verteilung des Wassers.

Claims (7)

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor, welches Brennelement vier Brennstabbündel enthält, von denen jedes von einer Wand umgeben ist und die derart auf Abstand voneinander angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein kreuzförmiger Spaltraum entsteht, wobei die genannten Wände an ihrem unteren Ende an ein gemeinsames Bodenteil (4) und an ihrem oberen Ende an ein gemeinsames Oberteil (5) angeschlossen sind und wobei das Brennelement mit dem Bodenteil (4) an eine Öffnung in einer unteren Gitterplatte (Reaktorkernboden) angeschlossen ist und mit dem Oberteil an einem Kerngitter anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die jedes Brennstabbündel umgebende Wand ein selbständiger separater Kasten (2a bis 2d) ist und diese vier Kästen derart zu einem Brennelement zusammengefaßt sind, daß der zwischen den vier Kästen gebildete Spaltraum an seinen seitlichen Enden, gegebenenfalls bis auf einzelne zwischen den Kästen angeordnete Verbindungsstücke (6), offen ist.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kästen (2a, 2b, 2c, 2d) mit dem Bodenteil (4) und dem Oberteil (5) derart lösbar verbunden sind, daß die Kästen (2a, 2b, 2c, 2d) mit ihrem Brennstabbündel umplaziert oder durch Drehung um ihre Längsachse in eine neue Lage gedreht werden können.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstabbündel der Kästen (2a, 2b, 2c 2d) als frei aus den Kästen herausnehmbare Einsätze ausgebildet sind, die untereinander ausgetauscht oder in ihren bisherigen Kästen umplaziert werden können.

4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kästen (2a, 2b, 2c, 2d) einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken haben und daß die Brennstäbe (3a) in den Ecken der Kästen einen kleineren Durchmesser als die übrigen Brennstäbe (3b) haben.

5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennstabbündel (3) des Kastens (2a-2d) ein Brennstab durch ein leeres Rohr (7) ersetzt ist, durch den Kühl- und Moderatorwasser frei hindurchfließen kann.

6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle zwischen den vier Kästen (2a-2d) des Brennelementes (2) ein fortnehmbarer Absorberstab (12a) mit einem abbrennbaren Absorber angeordnet ist.

7. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenteil (4) ein Aufteilungskreuz (13) enthält, welches das Bodenteil in vier parallele Kanäle aufteilt.