DE3108399A1

DE3108399A1 - "brennelementbuendel fuer einen siedewasserreaktor"

Info

Publication number: DE3108399A1
Application number: DE19813108399
Authority: DE
Inventors: Olov Dipl.-Ing. 72017 Västerå Nylund
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1981-03-06
Publication date: 1982-04-08
Also published as: JPS56143991A; SE420779B; JPH0352594B2; DE3108399C2; CA1147872A; US4416852A; SE8002079L

Description

Brennelementbündel für einen Siedewasserreaktor

Die Erfindung betrifft ein Brennelementbündel für einen Siedewasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Brennelementbündel ist beispielsweise bekannt aus der DE-AS 1816 561.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelementbündel der eingangs genannten Art zu entwickeln, welches sich gegenüber den bekannten Brennelementbündeln durch eine verbesserte Kühlung bei normalem Betrieb, durch größere Sicherheit gegen ein örtliches Trockensieden oder gegen die Gefahr eines Dampfeinschlusses bei Notkühlung und durch einen verkleinerten Druckabfall des durch den Reaktorherd gepumpten Kühlwassers auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelementbündel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den.Unteransprüchen genannt.

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Durch die Verwendung von Teilabstandshaltern gemäß der Erfindung wird die Kühlung bei normalem Betrieb dadurch verbessert, daß das Kühlmittel in stärkerem Maße als bei einer bekannten Abstandshalteranordnung über unterschiedlich belastete Bereiche des Brennelementbündels verteilt wird. Zugleich wird eine größere Sicherheit gegen ein örtliches Trockensieden durch eine axial gleichmäßiger verteilte Turbulenzbildung erreicht. Die Gefahr eines Dampfeinschlusses (CCFL = Counter current flow limiting) bei Notkühlung wird ^ verringert, da der Tenzenz des durch die Abstandshalter strömenden Dampfes, ein Eindringen des Notkühlwassers in den Kern zu verhindern, entgegengewirkt wird. Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Anordnung von Teilabstandshaltern bei normalem Betrieb der Druckabfall vermindert, den das Kühlwasser beim Hindurchpumpen durch den Reaktorherd erleidet.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Brennelementbündeis gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt längs der Linie I-I in Figur 2, Figur 2 einen Horizontalschnitt längs der Linie II-II

in Figur 1,
Figur 3 das Brennelementbündel gemäß Figur 1 von oben

gesehen,

Figur 4 das Brennelementbündel gemäß Figur 1 von unten gesehen,

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Figur 5.eine zweite Ausführungsform eines Brennelementbündels gemäß der Erfindung in Seitenansicht und partiellem Vertikalschnitt längs der Linie V-V in Figur 6,

Figur 6 das Brennelementbündel gemäß Figur 5 in vergrößertem Maßstab im Horizontalschnitt längs der Linie VI-VI in Figur 5,

Figur 7 im Horizontalschnitt eine dritte Ausführungsform eines Brennelementbündels gemäß der Erfindung,

Figur 8 einen Vertikalschnitt längs der Linie VIII-VIII in Figur 7,

Figur 9 - 18 in schematischer Darstellung fünf Beispiele für die Anordnung von vertikal hintereinander liegenden Gruppen von Teilabstandshaltern in einem Brennelementbündel gemäß der Erfindung. Dabei sind die Vertikalschnitte durch die einzelnen Quadranten A, B, C, D der Brennelementbündel der besseren Übersichtlichkeit halber in den Figuren 10, 12, 14, 16, 18 nebeneinander dargestellt. Die wirkliche Lage der Quadranten im Verhältnis zueinander geht aus den entsprechenden horizontalen Schnitten hervor, die in den Figuren 9» 11» 13, 15, 17 angedeutet sind. Jeder Abstandshalter ist mit S und einem Index bezeichnet, wobei jede Gruppe von teilweise positionierenden Abstandshaltern des Brennelementbündels den gleichen Index hat.

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In den Figuren 1 bis 4 bezeichnet 1 einen Brennelementkasten, der vertikal im Kern eines Siedewasserreaktors angeordnet wird. Der Brennelementkasten 1 ist aus einem Brennstoffkanal 1' und einem Unterteil 1" zusammengesetzt und enthält vierundsechszig Brennstäbe 3, die mit Hilfe einer oberen Gitterplatte k, einer unteren Gitterplatte 5 und mehrerer Abstandshalter 6 positioniert sind. Die Abstandshalter 6 sind auf mehrere axial hintereinander angeordnete Abstandshaltergruppen verteilt, wobei die Abstandshalter jeder Gruppe zusammen sätmliche vierundsechszig Brennstä-

^ be im Brennelementbündel positionieren. Jede Abstandshaltergruppe enthält vier Abstandshalter 6, die in vier verschiedenen Höhen angeordnet sind. Jeder dieser vier Abstandshalter liegt dabei in je einem Quadranten des Brennelementbündels und positioniert die auf den jeweiligen Quadranten entfallenden 16 Brennstäbe. In Figur 2 sind die einzelnen Quadranten mit den Buchstaben A, B, C, D bezeichnet. Der oberste der beiden in Figur 1 gezeigten Abstandshalter liegt im Quadranten B, der zweitoberste im Quadranten A. Die darunter befindlichen (in Figur 1 nicht dargestellten) Abstandshalter liegen in den Quadranten D und C, wobei der unterste

im Quadranten C liegt.

Wenn man beispielsweise einen vertikal nach oben strömenden Wasserfluß betrachtet, der auf ein Viertel der Brennstäbe im Brennelementbündel und auf denselben Quadranten wie der unterste Abstandshalter in irgendeiner Gruppe lokalisiert ist, so wird dieser· Fluß aufgrund des hydraulischen Widerstandes des Abstandshalters in gewissem Umfange vom Abstandshalter abgelenkt werden und an Brennstäben in benachbarten Quadranten entlangströmen, die auf diesem Niveau (in dieser Höhe) nicht mit Abstandshaltern

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versehen sind. Dies kann bedeuten, daß bestimmten, besonders warmen Brennstäben Kühlwasser zugeführt werden kann, das auf seinem Weg nach oben an Brennstäben mit relativ niedriger Temperatur entlanggeströmt ist. Man sieht auch ein, daß eine Teilabstandshalteranordnung, die einem Teil des jedem Teilabstandshalter zugeführten Wassers die Möglichkeit läßt, einen Parallelweg mit geringerem hydraulischen Widerstand zu wählen, einen kleineren Gesamtströmungswiderstand hat als eine konventionelle Anordnung mit der gleichen Anzahl von Abstandshalterzellen.

Statt der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Abstandshalteranordnung kann erfindungsgemäß jede der in den Figuren 10, 12, 16, 18 gezeigten Anordnung verwendet werden.

Aus der US-PS 3 164 530 ist es bekannt, einen mit quadratischein Querschnitt ausgebildeten Brennstoffkanal mit einer in Längsrichtung des Brennstoffkanals verlaufenden versteifenden Stützanordnung mit kreuzförmigem Querschnitt zu versehen.Die Stützanordnung hat vier Flügel, von denen jeder an einer entsprechenden Wand des Brennstoffkanals befestigt ist, wodurch der Brennstoffkanal in vier Teilkanäle aufgeteilt wird, die jeweils ein Teilbrennstoffbündel enthalten. Die Teilkanäle sind mittels mehrerer Löcher, die in den Flügeln angebracht sind, hydraulisch miteinander verbunden. Einerseits ist ein solches viergeteiltes Brennstoffbündel für die erfindungsgemäßen Abstandshaltergruppen besonders gut geeignet, da Teilabstandshalter schon vorhanden sind. Andererseits wirken aber die Flügel der Stützanordnung dem Zweck einer solchen Gruppe, z. B. der besseren Vermischung

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des Wassers, in bedeutendem Maße entgegen. Die in Verbindung mit den Figuren 5, 6, 7 und 8 beschriebenen Brennstoffbündel nach der Erfindung sind mit Stützanordnungen versehen, die gute Versteifungseigenschaften haben und gleichzeitig eine ausreichende horizontale Verbindung zwischen den einzelnen Teilkanälen zulassen. Hinzu kommt, daß die Stützanordnungen vertikale Kanäle für durchströmendes verhältnismäßig kaltes Wasser bilden, wodurch eine vorteilhafte Moderatorwirkung erreicht wird.

Bei der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsform eines Brennelementbündels nach der Erfindung ist jede Wand des Brennstoffkanals 20 mit einer einzigen relativ langen, vertikalen Versteifungsleiste 21 versehen. Alternativ kann jede Wand statt dessen mit einem nach innen gebogenen Blechteil oder mit mehreren vertikalen, hintereinander angeordneten Versteifungsleisten versehen werden. Die Brennstäbe des Brennelementbündels sind mit 22 bezeichnet. Das Brennelementbündel hat ein zentrales, relativ querschnittsstarkes Wasserrohr 23, das zusammen mit 12 querschnittsschwächeren Wasserrohren 24 in einer kreuzförmigen Konfiguration angeordnet ist. Die Wasserrohre 23 und 24 sind in verschiedenen Höhen (Niveaubereichen) durch vier wellenförmige,

(Ti) im wesentlichen rechtwinkel abgebogene Bänder 25 aus Zirkaloy miteinander verbunden, welche Bänder miteinander und vorzugsweise auch mit den Wasserrohren 23 und 24 zusammengeschweißt sind. Auf diese Weise entsteht eine Stützanordnung' 26, die sowohl dort, wo die Bänder 25 verlaufen, wie auch zwischen den Bändern einen kreuzförmigen Querschnitt hat. Bei jedem der durch die Bänder 25

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gebildeten Armkreuze sind die Stützarme mechanisch starr mit ihrer zugehörigen Versteifungsleiste 21 verbunden, und zwar mit Hilfe eines am Ende des Stützarms festgeschweißten Klotzes 27, der in ein entsprechendes Loch in der Versteifungsleiste 21 ragt und mittels einer Schweißverbindung 28 an dieser Leiste befestigt ist. Die Brennstäbe 22 sind in jedem Quadranten des Brennelementkastens 20 mit Hilfe einer Vielzahl auf verschiedenen Niveaus angeordneter Abstandshalter 29 positioniert, wobei jeder Abstandshalter nur Brennstäbe umschließt, die in dem entsprechenden Quadranten angeordnet sind. Die Abstandshalter 29 sind in axial (vertikal) hintereinander angeordneten Gruppen angebracht, beispielsweise so, wie es in den Figuren 9 und 10 angedeutet ist.

Bei der in den Figuren 7 und 8 gezeigten Ausführungsform werden die Brennstäbe 31 des Brennelementbündels von einem Brennstoffkanal 30 umschlossen, bei dem jede Wand mit einem versteifenden Rücken in Form einer festgeschweißten Versteifungsleiste 32 versehen ist. Alternativ kann die Leiste 32 durch einen nach innen gebogenen Wandabschnitt ersetzt werden. Auf gleiche Weise wie in Figur 6 ist ein relativ querschnittsstarkes Wasserrohr 34 zusammen mit 12 querschnittsschwächeren Wasserrohren 35 in einer kreuzförmigen Konfiguration angeordnet. In mehreren verschiedenen Höhenbereichen sind zwischen benachbarten Wasserrohren mechanische Verbindungselemente 36 angebracht, wobei diese Wasserrohre zusammen mit den Verbindungselementen 36 eine versteifende Stützanordnung 37 bilden, die in mehreren unterschiedlichen Höhenbereichen einen kreuzförmigen Querschnitt hat,

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Der jeweilige Abstand zwischen derartigen Niveaubereichen ist mindestens genauso groß, wie die vertikale Erstreckung der Verbindungselemente 36, wodurch man eine gute hydraulische Verbindung zwischen benachbarten Quadranten des Brennelementkastens erhält, was eine Voraussetzung dafür ist, daß eine Abstandshalteranordnung nach der Erfindung die anfangs genannte der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe erfüllen kann. Jedes Verbindungselement 36 bildet einen spitzen Winkel mit einer Vertikalebene durch den zugehörigen Versteifungsarrn, was zur Folge hat, daß das Reaktorkühlmittel beim Passieren eines Verbindungselementes eine horizontale Geschwindigkeitskomponente erhält. Wie aus Figur 8 hervorgeht, ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Schrägstellung bei den zu demselben Versteifungsarm gehörenden Verbindungselementen in verschiedenen Richtungen ausgeführt. Zweckmäßigerweise werden die in demselben Versteifungsarm unmittelbar nebeneinander angeordneten Verbindungselemente abwechselnd mit unterschiedlicher Ablenkrichtung angeordnet, so wie es in Figur 8 angedeutet ist. Die horizontalen Geschwindigkeitskomponenten bewirken, daß sich der Kühlwasserfluß, der in einem unteren Abschnitt des Brennelementbündels auf einen bestimmten Brennstab lokalisiert ist, weiter oben auf mehrere Brennstäbe verteilen kann, wodurch eine besondere temperaturausgleichende Wirkung zusätzlich zu der erreicht wird, die dadurch erzielt wird, daß die Abstandshalter auf eine der in den Figuren 10, 12, 16 und 18 gezeigten Arten angeordnet sind.

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Statt die Verbindungselemente 36 direkt an die Wasserrohre zu schweißen, kann man vorzugsweise auch Hülsen auf den Rohren anbringen und die Verbindungselemente an diesen Hülsen festschweißen.

Die Quadranten des Brennelementkastens enthalten jeweils ein Bündel von sechszehn Brennstäben. Diese werden von mehreren vertikal hintereinander angeordneten Abstandshaltern 38 umschlossen. Dadurch kann jede solche Gruppe von Brennstäben individuell eingesetzt und herausgenommen werden. Jedes der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Brennelementbündel kann mit Brennstoffkanälen, Unterteil und oberer und unterer Gitterplatte von im wesentlichen gleicher Konstruktion wie das in Figur 1 gezeigte Brennelementbündel versehen sein. Ebenso wie bei diesem Brennelementbündel, kann jedes der Brennelementbündel nach Figur 6 oder 7 zusammen mit drei gleichen Brennelementsein bündel von einem Feld des Kerngitters umschlossen/^ mit dessen Hilfe die Brennelementbündel auf solche Weise in einem Reaktorkern positioniert sind, daß zwischen ihnen Spalten zur Aufnahme von Steuerstäben gebildet werden.

Wie in den Figuren 13 und 14 angedeutet, kann ein Brennelementbündel mit im wesentlichen quadratischen Querschnitt mit einer Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Gruppen aus je vier Teilabstandshaltern versehen werden, von denen jeder in je einer Ecke des Brennelementbündels angeordnet ist, wobei jeder Teilabstandshalter eine Anzahl von Brennstäben umschließt, die größer ist als 1/4 der Gesamtanzahl der Brennstäbe im Brennelementbündel.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennelementbündel für einen Siedewasserreaktor mit einem Brennstoffkanal (1; 20; 30;), mehreren Abstandshaltern und einer Vielzahl vertikaler, mit Hilfe der Abstandshalter fixierter Brennstäbe (3; 22; 31), dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Abstandshaltern im wesentlichen um mehrere Teilabstandshalter (6; 29; 38; S.) handelt, von denen jeder nur einen Teil der insgesamt im Brennelementbündel vorhandenen Brennstäbe positioniert, daß mehrere Gruppen von Teilabstandshaltern hintereinander in Längsrichtung des Brennelementbündels angeordnet sind und daß die zu jeder Gruppe gehörenden Teilabstandshalter auf mindestens zwei verschiedene Niveaus verteilt sind und zusammen sämtliche Brennstäbe des Brennelementbündels positionieren.

2. Brennelementbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkanal einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt hat und daß jede Gruppe von Teilabstandshaltern vier Teilabstandshalter (6; 29; 38; S₁) enthält, von denen jeder in je einer Ecke des Brennstoffkanals angeordnet ist.

3. Brennelementbündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkanal mindestens eine versteifende Stützanordnung (26; 37) mit kreuzförmigem Querschnitt und vier

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an je einer Wand des Brennstoffkanals befestigten Versteifungsflügeln enthält und daß jeder Teilabstandshalter ein Teilbrennstabbündel positioniert, welches unbehindert von der Stützanordnung zusammen mit seinen Teilabstandshaltern aus dem Brennstoffkanal herausnehmbar ist.

4. Brennelementbündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der in den Ecken angeordneten Teilabstandshalter eine Anzahl Brennstäbe umschließt, die größer als 1/4 der insgesamt im Brennstoffkanal vorhandenen Brennstabanzahl ist (Figur 13 und 14).

5. Brennelementbündel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ecken angeordneten Teilabstandshalter (6; 29; 38; S.) jeder Gruppe auf vier verschiedenen Niveaus angeordnet sind.

6. Brennelementbündel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ecken angeordneten Teilabstandshalter in jeder Gruppe auf zwei verschiedenen Niveaus angeordnet sind (Figur 12, Figur 18).