DE3881558T2

DE3881558T2 - Länglich zulaufender Durchflusskanal mit integrierten Strömungsleitausnehmungen.

Info

Publication number: DE3881558T2
Application number: DE88103587T
Authority: DE
Inventors: Russel Lee Crowther; Eric Bertil Johansson; Bruce Nmn Matzner
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1988-03-08
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2008-03-09
Also published as: JPS63261191A; EP0283839B1; ES2041714T3; DE3881558D1; EP0283839A2; EP0283839A3; US4749543A; JPH0827364B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Kanäle zur Verwendung bei Brennelementen in Kernreaktoren. Mehr im besonderen wird ein Stromungskanal offenbart, der von mehr Material in seinen Querschnitt am Boden zu einem dünneren Querschnitt am Oberteil verjüngt ist. Der Kanal kann integral ausgebildete Strömungsumlenker bzw. -leitausnehmungen einschließen, die vorzugsweise mit der offenbarten Verjüngung zusammenarbeiten, um die thermische Leistungsfähigkeit zu optimieren.
in mit Brennstoff beladener Siedewasserreaktor enthält spaltbare Materialien, die eine endliche Anzahl von Neutronen abgeben können. Es ist im Stande der Technik bekannt, eine parasitäre Neutronenabsorption zu vermeiden.
Einfach ausgedrückt, werden Neutronen auf grund der Spaltung mit hoher Geschwindigkeit abgegeben, durch das Wasser zu einer geringen Geschwindigkeit moderiert, bei der sie eine Kettenreaktion von Spaltungen erzeugen können. Die Metallkanäle, die innerhalb solcher Reaktoren benutzt werden, absorbieren Neutronen parasitär.
Die Reaktorregelung bzw. -kontrolle findet üblicherweise am Äußeren solcher Kanäle statt. Um eine optimale Kernreaktorregelung zu erhalten, sind die Kanäle mit flachen Seiten ausgebildet. Diese flachen Seiten sind an die Gestalten der Steuerstäbe angepaßt.
Die Kanäle haben auch den Zweck, Wasser auf einen vorhersagbaren Strömungspfad um die dampferzeugenden Stäbe herum zu begrenzen. Dampf wird im Inneren solcher Kanäle erzeugt. Unglücklicherweise und um eine vorhersagbare Wasserströmung im Reaktor sicherzustellen, gibt es einen Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite der Kanäle.
Hinsichtlich der Innenseite des Kanales steht dieser mit einer Wasserzufuhrkammer durch eine Trägerplatte, ein Nasenstück und eine untere Gitterplatte in Verbindung. Der Kanal erstreckt sich vom Nasenstück und der unteren Gitterplatte nach oben bis zu einem oberen Kerngitter. Wasser strömt innerhalb des Kanales um die Brennstäbe herum und erzeugt Dampf.
Die Außenseite des Kanales bildet eine andere Druckumgebung. Üblicherweise wird Wasser am Boden des Kanales in die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Kanälen abgelenkt. Dieses Wasser steht unter einem geringen Druck.
Die planaren Kanalwände sind durch Ecken verbunden, und sie neigen zum Ausbeulen in Abhängigkeit vom Druckunterschied. Diese Neigung zum Ausbeulen wird zusätzlich durch thermische Wirkungen und auch durch Strahlung erschwert.
Um die parasitäre Absorption zu minimieren, werden solche Kanäle üblicherweise aus einer als Zircaloy bekannten Metallegierung hergestellt, und sie werden wärmebehandelt, um Korrosion und Verzerrung in der Reaktorumgebung zu vermeiden. Zircaloy ist eine Legierung von Zirkonium mit geringen Mengen an Eisen, Zinn und anderen Legierungsmetallen.
Im Stande der Technik sind solche Kanäle mit einer gleichmäßigen Dicke konstruiert worden, und sie wurden mit genügend Metall versehen, um den Druckunterschieden zu widerstehen. Solche Kanäle werden hergestellt durch Biegen von zwei Blechabschnitten in U-förmige Hälften und verschweißen der beiden Hälften miteinander.
Die Verstärkung solcher Kanäle ist bekannt. Die Verstärkung wurde jedoch auf den Teil des Kanales benachbart dem Nasenstück und der unteren Gitterplatte für die Brennstäbe im Kanal beschränkt. Die Verstärkung der Kanäle wurde bisher nicht mit der Notwendigkeit geringerer Neutronenabsorption und geringerer Verlagerung von Neutronenmoderator in Beziehung gesetzt. Siehe zum Beispiel US-A-3,715,274 und 3,697,376.
Der Kühlmittelstrom innerhalb eines Kanales besteht aus einer Mischung von Dampf und Wasser, wobei sich eine Wasserschicht auf der inneren Oberfläche des Kanales und eine Wasserschicht auf der Oberfläche jedes Brennstabes befindet. Am Boden des Kanales gibt es keinen Dampf; Wasser füllt den gesamten Bereich zwischen den Brennstäben innerhalb des Kanales. Während der Bewegung im Kanal nach oben füllt Dampf, der durch die Brennstäbe erzeugt wird, einen zunehmenden Anteil des verfügbaren Raumes. Die Dicke der Wasserschicht auf den Brennstäben nimmt ab. Wird die Wasserdicke auf den Brennstäben zu gering, dann können ein Überhitzen und thermische Instabilitäten auftreten. Wasser fließt auch in einer Schicht auf der Innenseite des Kanales, der die Brennelemente umgibt. Anders als die Brennstäbe wird der Kanal jedoch nicht erhitzt und folglich bleibt die Wasserschicht auf der Innenseite des Kanales dick, und sie ist relativ unabhängig von der Leistung des Elementes, der Strömungsgeschwindigkeit in das Element und der Höhe des Kanales.
Es ist im Stande der Technik vorgeschlagen worden, Strömungsumlenker auf der Innenseite der Kanäle vorzusehen, um Wasser, das auf den Kanalwandungen fließt, zu den Brennstäben umzuleiten. Unglücklicherweise haben solche Umlenker bisher die Einführung der Brennelemente beeinträchtigt und den Druckabfall des Kanales erhöht. Sie bestanden aus Vorsprüngen aus den inneren Kanalwandungen und aus Zusätzen zu diesen.
Wegen der Auswirkungen der zweiphasigen Dampf/Wasser-Strömung auf den Druckabfall ist der Druckabfall innerhalb des Kanales nahe dem Oberteil des Kanales, wo die Dampfblasen am größten sind, am größtem. Die gekoppelte nukleare-thermische-hydraulische Stabilität des Reaktors wird durch das Verhältnis des Druckabfalles der zwei Phasen zu einer einzigen Phase beeinflußt, und die Stabilität verbessert sich mit abnehmenden Verhältnis des Druckabfalles von zwei Phasen zu einer Phase. Vergrößert man den Strömungsbereich innerhalb des Kanales nahe dem Oberteil, dann verringert dies den Zweiphasen-Druckabfall und verbessert die gekoppelte nukleare-thermische-hydraulische Stabilität.
Moderne Reaktoren mit hoher Leistungsdichte weisen ihre eigenen speziellen Probleme auf. Es werden variable Strömungsgeschwindigkeiten zum Steuern bzw. Regeln des Reaktors benutzt. Um die Wirtschaftlichkeit des Brennstoff zyklus zu verbessern, werden während des frühen Teiles eines Betriebszyklus zwischen Brennstofferneuerungen geringe Strömungsgeschwindigkeiten benutzt, und hohe Strömungsgeschwindigkeiten werden nahe dem Ende eines Betriebszyklus angewendet. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten wird die Dicke der Wasserschicht auf den Brennstäben verringert, und dies begrenzt das Ausmaß, zu dem die Strömung verringert werden kann, um die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffzyklus zu verbessern.
Darüber hinaus haben moderne Reaktor formen einen maximalen Fluß thermischer Neutronen und maximale lokale Leistungsspitzen in den Brennstäben benachbart den Kanalwandungen. Werden Strömungsumlenker benutzt, dann haben diese die größte Wirkung auf diese Stäbe.
Reaktoren haben üblicherweise weniger Wasser und mehr Dampf im oberen Abschnitt der Brennelemente als im unteren. Dieser Unterschied im Wassergehalt verursacht eine Leistungsspitze gegen den Boden des Reaktors. Unter den Bedingungen des kalten Abschaltens ist der Oberteil des Reaktors als Ergebnis des geringeren Brennstoffabrandes und der größeren Plutoniumerzeugung in den Bereichen hohen Dampfblasengehaltes am oberen Teil während des Leistungsbetriebes am reaktivsten. Die Leistungsspitze am Boden des Reaktors unter Leistung und die Flußspitze am Boden des Reaktors unter den Bedingungen des kalten Abschaltens können verbessert werden durch Verringern des Baumaterials im oberen Abschnitt des Kanales.
Es werden zwei verbesserte Kanalmerkmale offenbart. Das erste Merkmal ist eine verringerte mittlere Kanaldicke im oberen Abschnitt. Die geringere mittlere Dicke ist zulässig wegen eines geringeren Druckunterschiedes, der im oberen Abschnitt des Kanales auf die Kanalseiten wirkt. Diese Verringerung der mittleren Dicke erhöht das Wasservolumen benachbart dem oberen Teil des Kanales, um eine erhöhte Neutronenmoderation zu bewirken, den Dampfblasenkoeffizienten der Reaktivität zu minimieren, die axiale Leistungsverteilung abzuflachen und einen größeren Reaktivitätsspielraum beim kalten Abschalten zu schaffen. Wird die Dickenverringerung dazu benutzt, die Strömungsfläche innerhalb des Kanales zu vergrößern, dann nimmt der zweiphasige Druckabfall ab.
Das zweite Kanalmerkmal besteht aus Strömungsumlenkern, die in das Innere der Kanalwandungen geschnitten werden. Die Strömungsumleiter lenken Wasser, das auf den Strömungskanalwandungen fließt, zu den Brennstäben benachbart den Strömungskanalwandungen ab und gestatten einen höheren Leistungsbetrieb des Brennelementes oder einen Betrieb mit verringerten Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeiten. Das zur Erzeugung der Strömungsumlenker entfernte Material vergroßert die Querschnittsfläche für die Strömung innerhalb des Kanales und verringert den Druckabfall.
Die Strömungsumlenker würden im oberen Teil des Kanales benutzt werden; es gibt keine Notwendigkeit, im unteren Teil des Kanales Wasser zu den Brennstäben abzulenken. Die Strömungsumlenker tragen zur verringerten mittleren Kanaldicke im oberen Teil des Kanales bei.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Kanal mit einer axial variierenden mittleren Wanddicke zu offenbaren. Die mittlere Wanddicke des Kanales verjüngt sich von einem dicken Querschnitt am Boden des Reaktors, wo es einen relativ hohen Druckunterschied gibt, zu einem dünnen Querschnitt am Oberteil des Reaktors, wo der Druckunterschied gering ist.
Ein Vorteil dieser Konfiguration des Kanales ist es, daß sie optimal eine höhere Wasserdichte am Oberteil des Reaktors zur Folge hat. Diese höhere Wasserdichte bei voller Leistung ermöglicht mehr Neutronenmoderation und daher eine optimale Spaltverteilung im Brennelement.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Brennstoffkanal mit einer Seitenwand zu offenbaren, die eine mittlere Innenabmessung aufweist, die zum Oberteil des Kanales hin zunimmt.
Ein Vorteil dieses Aspektes der Erfindung ist es, daß ein Brennstoffkanal, der einen vergrößerten Querschnitt am Oberteil und der Innenseite aufweist, offenbart wird. Dieser vergrößerte Querschnitt am Oberteil und der Innenseite verringert den Druckabfall im zweiphasigen Kühlmittelstrom aus Dampf und Wasser.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Brennstoffkanal mit Strömungsumlenkern zu offenbaren. Es werden Querrillen in die inneren Wandungen des Kanales geschnitten. Diese die Strömung umlenkenden Rillen nehmen Wasserschichten, die auf der inneren Oberfläche des Kühlkanales fließen und lenken sie zu den heißen Brennstäben um. Das zu den Stäben umgelenkte Wasser entfernt Wasser vom nicht erhitzten Kanal, wo es nicht erforderlich ist, und führt es zu den heißen Brennstäben, um die Leistungserzeugung des Brennelementes zu erhöhen. Gleichzeitig tritt die erwünschte Verjüngung der mittleren Kanaldicke als ein Ergebnis der Entfernung von Material aus dem Kanal auf, um die Strömungsumlenker zu erzeugen.
Eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Strömungsumlenker für den synergistischen Zweck der Schaffung der erwünschten Variation der mittleren Wanddicke zu benutzen.
Im Stande der Technik wurden Strömungsumlenker in nichtnuklearen Anwendungen benutzt. Die Strömungsumlenker hatten die Form von Streifen, die von den inneren Kanaloberflächen aus vorstanden. Solche Strömungsumlenker wurden aus den folgenden drei Gründen nicht bei Kanälen benutzt, die Kernbrennelemente umgeben:
1) das vorstehende Material absorbiert Neutronen, was die Reaktorwirksamkeit vermindert,
2) das vorstehende Material vermindert die Querschnittsfläche, die für die Kühlmittelströmung verfügbar ist, was den Druckabfall durch das Brennelement erhöht und
3) das vorstehende Material beeinträchtigt die Einführung des Bündels von Brennstäben in den Kanal.
Bei dieser Erfindung werden die Strömungsumlenker durch Entfernen von Material von der Innenseite der Kanalwand gebildet, und die drei Nachteile der Strömungsumlenker des Standes der Technik vermieden. Es wird Material entfernt statt hinzugefügt, was das parasitäre Einfangen von Neutronen verringert; die Querschnittsfläche für die Kühlmittelströmung wird erhöht, und es gibt keine Beeinträchtigung bei der Einführung der Brennstäbe in den Kanal.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Erfindung ist es, daß die Strömungsumlenker bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten am wirksamsten sind. Wie bereits erwähnt, nutzen moderne Reaktorbauformen einen weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten, um die Reaktorwirksamkeit zu erhöhen. Das Verdünnen der Wasserschicht auf den Brennstäben bei geringer Strömung begrenzt das Leistungsniveau bei geringer Strömung und begrenzt den Strömungsbereich. Der Gebrauch von Strömungsumlenkern gestattet einen größeren Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der offenbarten Erfindung werden deutlich in der folgenden Beschreibung und beigefügten Zeichnung, in der:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Reaktors ist, in dem die Erfindung installiert ist;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Brennstabbündels und verbesserten Kanales ist, der die bevorzugte Ausführung der strömungsumlenkenden Rillen auf der Innenseite im oberen Teil des Kanales veranschaulicht sowie Längsrillen auf der Außenseite über den unteren Teil des Kanales;
Figur 3 ist ein Diagramm des Druckes in Abhängigkeit von der Kanallänge, das den sich verjüngenden Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Kanales entsprechend den sich verjüngenden Wandungen des Brennstoffkanales veranschaulicht;
Figur 4 ist ein Diagramm einer Ausbuchtung in Abhängigkeit von der axialen Position;
Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Kanales mit verdickten Eckenabschnitten am unteren Ende des Kanales und schmalen Eckenabschnitten am oberen Ende des Kanales;
Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Kanales mit verdünnten Seitenabschnitten am oberen Ende des Kanales;
Figuren 7 und 7A sind Perspektiven von Kanälen mit Querrillen in den Seiten, wobei die Ausführungsform hier mit dicken Ecken veranschaulicht ist. In Figur 7 wird die axiale Variation der mittleren Wanddicke durch einen geringeren Abstand der Rillen im oberen Teil erzielt, in Figur 7A wird die axiale Variation durch Benutzung breiterer Rillen im oberen Teil des Kanales erzielt;
Figur 8 ist eine Perspektive eines Kanales mit Längsrillen in den Seiten, wobei die Ausführungsform hier mit dicken Ecken veranschaulicht ist. In Figur 8 wird die axiale Variation der Wanddicke erhalten durch Anwenden breiterer Rillen im oberen Teil des Kanales. Tiefere Rillen können ebenfalls am oberen Teil des Kanales benutzt werden;
Figur 9 ist eine Perspektive eines Kanales mit inneren Rillen zur Schaffung von Strömungsumlenkern, wobei die Ausführungsform hier mit dicken Ecken veranschaulicht ist;
Figur 10 ist ein Kanal ähnlich dem in Figur 3 gezeigten, der dicke Ecken aufweist, mit Strömungsumlenkern, die in die Eckenabschnitte des Kanales eingearbeitet sind;
Figur 11 ist ein Abschnitt eines Kanales mit Seiten verringerter Dicke, mit Strömungsumlenkern auf der Innenseite des Kanales und Querrillen auf der Außenseite Die Querrillen sind zwischen den Umlenkern angeordnet. Kurze Längsrillen könnten auch zwischen den Strömungsumlenkern benutzt werden. Umlenker- und Rillen-Abmessungen können ausgewählt werden, um eine axiale Variation in der mittleren Wanddicke zu ergeben;
Figur 12 ist eine Draufsicht einer Wandung, die typische Umlenker- und Rillen-Orte veranschaulicht, wobei sich die Rillen auf dem Kanaläußeren befinden;
Figur 13 ist eine Perspektive eines Kanales mit dicken Ecken und dünnen Seiten, mit Strömungsumlenkern im oberen Abschnitt und Längsrillen im unteren Abschnitt. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform. Die Umlenker- und Rillen-Abmessungen können ausgewählt werden, um die gewünschte axiale Variation in der mittleren Wanddicke zu erhalten;
Figur 14 ist ein Querschnitt durch die Kanalwand, die die bevorzugte Ausführungsform der Strömungsumlenkergeometrie zeigt;
Figur 14A zeigt eine andere Ausführungsform und
Figur 15 ist eine weggebrochene Teilperspektive, die den kombinierten Gebrauch interner Strömungsumlenker auf dem oberen Drittel des Kanales und gewellte Seiten auf den unteren zwei Dritteln des Kanales veranschaulicht.
Die folgende allgemeine Beschreibung eines Reaktors ist der US-A-3,715,274 entnommen, und sie ist hier anwendbar.
Die Erfindung wird hier in Beziehung mit einem wassergekühlten und -moderierten Kernreaktor beschrieben, von dem ein Beispiel in Figur 1 gezeigt ist. Ein solches Reaktorsystem schließt einen Druckkessel 10 ein, der einen Reaktorkern 11 für eine nukleare Kettenreaktion eingetaucht in ein Kühlmittel, wie leichtes Wasser, enthält. Der Kern 11 wird von einer ringförmigen Umhüllung 12 umgeben. Der Kern 11 schließt eine Vielzahl ersetzbarer Brennelemente 13 ein, die im Abstand voneinander angeordnet und zwischen einem oberen Kerngitter 14 und einer unteren Kernträgerplatte 16 im Kessel 10 gehalten bzw. abgestützt sind. Jedes Brennelement weist ein Nasenstück 17 auf, das im Eingriff steht mit einem Tragsockel in der Trägerplatte 16. Das Ende des Nasenstückes erstreckt sich durch die Trägerplatte 16 und ist mit Öffnungen oder einer Verbindung mit einer Kühlmittel-Zufuhrkammer 19 ausgebildet. Eine Zirkulationspumpe 18 setzt das Kühlmittel in der Zufuhrkammer 19 unter Druck, von wo aus das Kühlmittel durch die Öffnungen in den Nasenstücken 17 nach oben durch die Brennelemente gedrückt wird. Ein Teil des Kühlmittels wird dabei in Dampf umgewandelt, der eine Anordnung 20 aus Separator und Trockner zu einer Nutzungsvorrichtung, wie einer Turbine 21, passiert. In einem Kondensator 22 gebildetes Kondensat wird mittels einer Pumpe 23 als Zufuhrwasser in den Kessel 10 zurückgeführt. Eine Vielzahl von Steuer- bzw. Regelstäben 24 ist selektiv um die Brennelemente 13 herum einführbar, um die Reaktivität des Kernes zu steuern bzw. regeln. Eine Vielzahl von Aufnahmebehältern 15 für Instrumente ist zwischen den Brennelementen angeordnet, um Neutronendetektoren zur Überwachung des Leistungsniveaus des Kernes aufzunehmen.
In Figur 2 ist ein Brennelement 13 veranschaulicht, das eine Vielzahl langgestreckter Brennstäbe 26 umfaßt, die zwischen einer unteren Gitterplatte 27 und einer oberen Gitterplatte 28 gehalten bzw. abgestützt sind. Die Brennstäbe 26 verlaufen durch eine Vielzahl von Brennstab- Abstandshaltern 29, die eine Zwischenabstützung geben, um die langgestreckten Stabe im Abstand voneinander zu halten und ihre seitliche Vibration zu beschränken bzw. zu hindern.
Jeder der Brennstäbe 26 umf aßt ein langgestrecktes Rohr, das den spaltbaren Brennstoff in Form von Pellets, Teilchen, Pulver oder ähnlichem abgedichtet durch obere und untere Endstopfen 30 und 31 in dem Rohr enthält. Die unteren Endstopfen 31 sind mit einer Verjüngung zur Ausrichtung und Halterung in Trägeröffnungen 32 versehen, die in der unteren Gitterplatte 27 ausgebildet sind. Die oberen Endstopfen 30 sind mit Verlängerungen 33 ausgebildet, die mit Trägeröffnungen 34 in der oberen Gitterplatte 28 ausrichten.
Verschiedene der Trägerhohlräume 32 (zum Beispiel ausgewählte der Kanten- oder peripheren Hohlräume) in der unteren Gitterplatte 27 sind mit Gewinde ausgebildet, um Brennstäbe aufzunehmen, die mit Gewinde versehene untere Endstopfen 31 aufweisen. Die Verlängerungen 33 der oberen Endstopfen 30 dieser gleichen Brennstäbe sind verlängert, um durch die Hohlräume in der unteren Gitterplatte 28 hindurchzuragen, und sie sind mit Gewinde versehen, um Haltemuttern 35 mit Innengewinde aufzunehmen. In dieser Weise sind die obere und untere Gitterplatte und die Brennstäbe zu einer einheitlichen Struktur verbunden.
Das Brennelement 13 schließt weiter einen dünnwandigen, rohrförmigen Strömungskanal 36 im wesentlichen quadratischen Querschnittes ein, der einen Gleitsitz über der unteren und oberen Gitteplatte 27 und 28 und den Abstandshaltern 29 einnehmen kann, so daß er leicht montiert und entfernt werden kann. An das obere Ende des Kanales 13 ist ein Streifen 37 geschweißt, der das Befestigen des Kanales am Brennelement mit einem Bolzen 38 gestattet.
Die untere Gitterplatte 27 ist mit einem Nasenstück 41 ausgebildet, das das Brennelement, wie oben erwähnt, in einem Sockel in der Trägerplatte 16 (Figur 1) trägt. Das Ende des Nasenstückes ist mit Öffnungen 39 ausgebildet, die unter Druck stehendes Kühlmittel aufnehmen, so daß dieses um die Brennstäbe herum nach oben strömt.
Um das Sieden des Kühlmittels in den Räumen 25 (Figur 1) zwischen den Brennelementen zu vermeiden, wird ein Teil (in der Größenordnung von 5 bis 6 Prozent) des Kühlmittelstromes, der in jedes Brennelement strömt, von zwischen der unteren Gitterplatte 27 und dem Kanal 36 des Brennelementes in die Zwischenräume 25 gelassen, wie durch den Pfeil LF in Figur 2 angezeigt, um eine Nebenströmung zwischen den Kanälen zu schaffen.
Dies beendet die der US-A-3,715,274 entnommene allgemeine Beschreibung.
Figur 2 zeigt den Kanal der US-A-3,715,274 modifiziert zur Einbeziehung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die bevorzugte Ausführungsform ist in Figur 13 gezeigt.
In Figur 3 ist das Druckprofil zwischen dem Inneren eines Kanales und dem Äußeren eines Kanales in graphischer Darstellung gezeigt. Diese graphische Darstellung ist im Maßstab mit der in Figur 2 gezeigten Ansicht.
Das Druckprofil aus Wasser und Strömungsmittel im Inneren des Kanales ist durch die Linie 105 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß das Strömungsmittel bei der Bewegung entlang der Länge des Kanales nach oben seinen Druck verliert. Am oberen oder offenen Abschnitt des Kanales steht es im Gleichgewicht. Das heißt, der Druck innerhalb des Kanales und der Druck außerhalb des Kanales werden gleich.
Unter Bezugnahme auf die Linie 107 kann der Druck außerhalb des Kanales analysiert werden. Insbesondere, wenn Wasser durch die untere Gitterplatte am Boden des Kanales strömt wird es gedrosselt und verliert rasch Druck. Druck wird bis zu einer Position 109 verloren. Danach geht weiter Druck verloren bei der Bewegung des Wassers nach oben. Erreicht das Wasser das Oberteil der Kanäle, dann findet bei 110 ein Ausgleich statt.
Bezüglich Figur 4 wird sich der Leser erinnern, das oben ausgeführt wurde, daß sich die flachen Seitenwände der Kanäle in Abhängigkeit vom Druck ausbeulen. Dieses Ausbeulen kann bezüglich eines gleichförmig dicken Kanales vorhergesagt werden.
Spezifisch ist unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 2 die Ausbiegung eines Kanales aufgetragen, der eine Länge von 406,4 cm (160 Zoll) und gleichmäßige quadratische Seitenwände von 13,4 cm (5.28 Zoll) aus 0,203 cm (0.080 Zoll) dicker Zircaloy hat. Wie ersichtlich, tritt die maximale Ausbuchtung im Bereich zwischen 102,6 cm (40 Zoll) und 152,4 cm (60 Zoll) vom Boden des Kanales aus auf. Danach nimmt die Ausbuchtung bis zur vollen Höhe des Kanales bei etwa 406,4 cm (160 Zoll) rasch ab.
Wie bereits ausgeführt, wird ein verjüngter Kanal vorgeschlagen. Speziell verjüngt sich der Kanal von einem großen Querschnitt der Wanddicke am Boden zu einem kleinen Querschnitt der Wanddicke am Oberteil. Einfach gesagt wird nur die Dicke des Materials benutzt, die erforderlich ist, um den Kräften entlang der Länge des Kanales zu widerstehen. Die Verjüngung des Kanales könnte dem Ausbauchungsdiagramm der Figur 4 folgen, doch wird wegen der Herstellungseinfachheit und, um eine gute Stabilität am Boden zu haben, unterhalb des Punktes der maximalen Ausbauchung eine gleichmäßige Dicke benutzt.
Die Fachleute werden erkennen, daß die Herstellung graduell verjüngter Seitenwandabschnitte in der Produktion häufig Schwierigkeiten bereitet. Um das hier offenbarte Verjüngen der Kanäle zu vereinfachen, wurden die beiden spezifischen verjüngten Ausführungsformen hinsichtlich der Figuren 5 und 6 offenbart.
In Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Kanales gezeigt. Dieser Kanal schließt dicke Eckabschnitte 120 und dünne Seitenwandabschnitte 130 ein. Es ist ersichtlich, daß sich die Eckabschnitte 120 über zwei Drittel der Gesamthöhe des Kanals erstrecken. Diese Eckabschnitte haben grob das Doppelte der Dicke der Seitenwandabschnitte 130. Das letzte Drittel das Kanales der Figur 5 schließt Eckabschnitte 125 ein. Diese Eckabschnitte haben die gleiche Dicke wie die Wandabschnitte 130. Das obere Drittel des Kanales der Figur 5 ist daher nicht verstärkt.
Der Leser wird verstehen, daß andere Ausführungsformen ebenso gut arbeiten können. Man betrachte zum Beispiel die Konstruktion der Figur 6.
In Figur 6 ist ein Kanal gezeigt, der wiederum aus Eckabschnitten und Wandabschnitten konstruiert ist. Im Falle der Figur 6 haben die Eckabschnitte 140 und die Wandabschnitte 150 die gleiche Dicke. Das heißt diese Abschnitte, die die 5unteren zwei Drittel des Kanales abdecken, haben eine genügende Festigkeit, dem größeren Druckunterschied zu widerstehen, der im Bodenabschnitt des Kanales auftritt.
Der Wandabschnitt 155 am oberen Teil des Kanales hat eine verringerte Dicke. Er hat eine Dicke, die die Hälfte der Dicke ist, die bei dem Bodenwandabschnitt 150 benutzt wird.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß der dünne Wandabschnitt 155 durch dicken Ecken 140 abgestützt ist. Dies gestattet ein beträchtliches Verdünnen des Abschnittes 155. Das Verdünnen bei 155 könnte bei einer anderen Ausführungsform bei der Innenwand des Kanales benutzt werden, um den Druckabfall zu verringern und die gekoppelte nuklearethermische-hydraulische Stabilität zu verbessern.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit dicken Ecken und dünnen Seiten, wobei die dünnen Seiten Querrillen aufweisen. Die Rillen 202 im oberen Abschnitt haben einen geringeren Abstand als die Rillen 201 im unteren Abschnitt.
In Figur 7A ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die dicken Ecken und dünne Seiten aufweist, wobei die dünnen Seiten Querrillen haben. Die Rillen 212 im oberen Abschnitt sind breiter als die Rillen 211 im unteren Abschnitt.
In Figur 8 ist eine Ausführungsform veranschaulicht mit dicken Ecken und dünnen Seiten, wobei die dünnen Seiten Längsrillen aufweisen. Die Rillen 312 im oberen Abschnitt des Kanales sind breiter als die Rillen 311 im unteren Abschnitt.
In Figur 9 ist eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, die einen dicken Eckabschnitt 160 verbunden mit wandabschnitten 165 aufweist. Die Wandabschnitte 165 unterscheiden sich in ihrer Konstruktion, da sie Strömungsumlenker aüfweisen.
Im Stande der Technik ist es bekannt, Strömungsumlenker zu benutzen. Solche Strömungsumlenker bilden Unregelmäßigkeiten oder Stauklappen auf der Innenwand des Kanals. Solche Unregelmäßigkeiten waren in der Vergangenheit quadratische Quervorsprünge auf der Innenseite des Kanals, üblicherweiSe durch hinzugefügte Metallstreifen. Diese zugefügten Metallstreifen lenken den Wasserfilm, der auf der inneren Oberfläche des nicht erhitzten Kanals nach oben strömt, ab und lenken ihn zu den benachbarten erhitzten Brennstäben.
In der vorliegenden Erfindung werden die Strömungsumlenker statt dessen durch Ausschneiden von rampenförmigen Rillen in der inneren Oberfläche des Kanales, verteilt über den oberen Abschnitt des Kanales, ausgebildet. Die Wasserschicht, die auf der Kanalwand strömt, fließt in die Ausschnitte und wird gegen die Brennstäbe an den oberen Ecken der Ausschnitte abgelenkt. Die unteren Ecken der Ausschnitte haben eine Verjüngung, die es der Wasserschicht gestattet, glatt in die Ausschnitte zu strömen. Die Verjüngung hat einen Winkel von weniger als 9º, so daß keine Strömungstrennung auftritt. Die oberen Kanten bieten eine scharfe Diskontinuität in der Dicke der Kanalwandung, die das Wasser dazu zwingt, sich von der Kanalwand weg zu bewegen. Etwas von diesem Wasser gelangt auf die benachbarten Brennstäbe und verhindert den Übergang vom Blasensieden zum Überhitzen der Brennstäbe. Die Entfernung von Material für die Umlenker verringert auch die Neutronenabsorption im Baumaterial und erhöht günstig das Verhältnis von Wasserstoff zu Uran am Oberteil des Reaktors.
In Figur 9 ist ersichtlich, daß die Wand 165 dünner gemacht worden ist. Die bei 165 verdünnte Wand schließt die rampenförmigen Einschnitte bzw. Vertiefungen 166 ein. Diese Vertiefungen verlaufen quer zur nach oben gerichteten Strömung des Wassers entlang der Richtung 168. Einfach gesagt lenkt die obere Kante der Rampen 166 Wasser von der Innenkante 168 weg von der Kanalwand und zu den Brennstäben, die im Kanal enthalten sind.
Der Leser wird erkennen, daß hier mehrere synergistische Ergebnisse erhalten werden. Erstens werden Strömungsumlenker dazu benutzt, die thermische oder Übergangs-Siede- Leitungsfähigkeit zu erhöhen.
Zweitens, und genauso wichtig, werden die Strömungsumlenker im oberen Drittel der Kanalwandungen vorgesehen. Sie werden somit dort vorgesehen, wo sie am meisten benötigt werden, um den Druckabfall zu verringern und das Verhältnis von Moderator zu Brennstoff zu erhöhen. Der verringerte Druckabfall verbessert die gekoppelte nukleare-thermischehydraulische Stabilität. Das verbesserte Verhältnis von Moderator zu Brennstoff verbessert den Dampfblasenkoeffizienten der Reaktivität, das Übergangsverhalten, die Stabilität, die axialen Leistungsverteilungen und den Reaktivitätsspielraum beim kalten Abschalten.
In Figur 10 ist eine zusätzliche Ausführungsform dargestellt. Es ist im einzelnen ein verdickter Eckabschnitt 170 gezeigt, der innere Strömungsumlenker 175 aufweist, die im Eckabschnitt vorgesehen sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind Strömungsumlenker somit nicht nur bei 166 in den Seitenwandungen 165 sondern auch bei 175 in den Eckabschnitten 170 vorgesehen.
Unter Bezugnahme auf die Strömungsumlenker-Ausführungsform, die in den Figuren 9 und 10 veranschaulicht ist, wird der Leser verstehen, daß die Strömungsuinlenker der Erfindung eine Vergrößerung des Kanalquerschnittes an der Stelle bilden, an der die Strömungsumlenker vorhanden sind. Aus dieser Vergrößerung des Kanalquerschnittes am oberen Teil davon ergeben sich zwei Vorteile.
Erstens, wie man sich aufgrund der graphischen Darstellung der Figur 3 erinnern wird, bildet der obere Teil des Kanales das Volumen, in dem der Druckabfall innerhalb des Kanales am größten ist. Spezifisch tritt der größte Druckabfall im oberen Teil des Kanales auf, wo das Verhältnis von Dampfvolumen zu Wasservolumen am größten ist.
Die Kanalausführungen der Figuren 9 und 10 haben die Gesamtwirkung der Vergrößerung des Innenteiles des Kanales, wo dieser Druckabfall auftritt. Diese Vergrößerung führt zu einer Verringerung des lokalisierten Druckabfalles am Oberteil des Kanales.
Zweitens enthält das Innere des Kanales im Bereich der strömungsumlenker ein größeres Volumen an moderierendem Wasser.
Durch Erhöhen des Volumens des moderierenden Wassers im oberen Teil des Kanales, wo das Verhältnis von Dampfvolumen zu Wasservolumen am größten ist, wird eine gleichmäßigere Verteilung des Moderators erhalten. Dies ergibt eine wirksamere Reaktorausführung durch Abflachen der axialen beistungsverteilung, Verringern der Dampfblasenkoeffizienten der Reaktivität und Verbessern der Reaktivitätsspielräume beim kalten Abschalten.
In den Figuren 11 und 12 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung offenbart. Diese Ausführungsform schließt dicke Eckabschnitte 200 und dazwischen liegende Wandabschnitte 205 ein.
Speziell schließen die Wandabschnitte 205 Querrillen auf der äußeren Oberfläche ebenso wie Strömungsumlenker auf der inneren Oberfläche ein.
Unter Bezugnahme auf Figur 11 sind Querrillen 207 auf der äußeren Oberfläche in der Seitenwand ausgebildet. Ähnlich sind Strömungsumlenkerabschnitte 209 am inneren Abschnitt der Seitenwand 205 vorhanden.
In Figur 12 ist die Seitenwand, die für den oberen Teil des Kanales benutzt wird, gezeigt. Sie ist von der Außenseite aus gezeigt.
In Figur 2 ist der Kanal 36 mit der bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die inneren Strömungsumlenker 209 (in gestrichelten Linien dargestellt) nehmen nur das obere Viertel (1/4) bis zur Hälfte (1/2) des Kanales 36 ein; Strömungsumlenker werden in den unteren drei Vierteln (3/4) bis zur Hälfte (1/2) des Kanales 36 nicht benutzt. Längsrillen 205 nehmen die unteren drei Viertel (3/4) bis zur Hälfte (1/2) des Kanales ein. Die Länge der Umlenker und Längsrillen kann variieren in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften des Reaktors, in den das Brennelement und der Kanal eingeführt werden sollen.
Es wird dem Leser klar sein, daß die verjüngte Kanalkonstruktion dieser Erfindung andere Ausführungsformen gestattet.
In Figur 13 ist eine Perspektive der bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Ähnlich Figur 8 offenbart Figur 13 äußere Längsrillen. Diese Rillen befinden sich in der verdünnten Seitenwand 317 und erstrecken sich von etwa der Hälfte (1/2) bis zu drei Vierteln (3/4) oder 1,98 bis 2,92 m (70 bis 115 Zoll) vom Bodenteil des Kanales. Strömungsumlenker werden am Oberteil des Kanales oberhalb der Längsrillen benutzt.
Figur 14 zeigt einen Querschitt durch die Kanalwandung zusammen mit benachbarten Brennstäben. Die bevorzugte Ausführungsform der Strömungsumlenkergeometrie ist gezeigt, wobei man sich daran erinnern mag, daß die Strömungsumlenker nur die obere Hälfte bis zu einem Viertel der Länge innerhalb des Kanales bedecken. Der Strömungsumlenker wird ausgebildet durch Anbringen eines verjüngten Schnittes in die innere Oberfläche des Kanales. Der geringe Verjüngungswinkel 1 gestattet, daß der flüssige Film längs der Oberfläche 2 ohne Trennung strömt, bis die Kante 3 erreicht ist. An dieser Stelle wird der flüssige Film umgelenkt und zu den benachbarten Brennstäben gerichtet.
Wie in Figur 14 gezeigt, hat die Oberfläche 2 zur Ecke 3 einen Winkel von etwa 90 Grad. Eine andere Ausführungsform modifiziert dies, um die Oberfläche 2 mit der Kante 3 mit einem Abschnitt eines kreisförmigen Bogens 5 zu verbinden, wie in Figur 14a gezeigt.
Die Strömungumlenker oder Rillen befinden sich auf der Innenseite nur im oberen Viertel bis der Hälfte der Kanallänge. Dies gibt dem Kanal eine Gesamtverjüngung in der mittleren Dicke und ordnet Strömungsumlenker, die Wasserfilme, die entlang der Kanalseitenwandungen strömen, umlenken, nur im oberen Teil an.
Die Querrillen in einer anderen Ausführungsform befinden sich auf dem Inneren statt auf dem Äußeren des Kanales, und sie sind begrenzt auf die untere Hälfte bis drei Viertel der Kanallänge. Diese Ausführungsform ist in Figur 9 gezeigt.
In Figur 15 erstrecken sich dicke Ecken 400 über die gesamte Länge des Kanales. Die Seitenwand 412 weist über das obere Drittel des Kanales Strömungsumlenker 410 auf. Diese gleiche Seitenwand 412 hat in der unteren Hälfte bis zu drei Vierteln der Seitenwand Rippen 415.
Solche Rippen sind vollständiger in der US-A-4,749,544 offenbart.

Claims

1. Brennelement (13) mit einer Vielzahl von Brennstäben (26), die durch obere und untere Gitterplatten (28,27) in beabstandeter Reihe angeordnet sind, einem of fenendigen Strömungskanal (36), der die genannte Reihe umgibt, um Kühlmittel zwischen einer unteren Trägerplatte (16), der Kühlmittel zugeführt wird, zu einem oberen Trägergitter (14), mit dem ein Dampf/Wasserauslaß in Verbindung steht, nach oben zu leiten, wobei der Strömungskanal die genannte Reihe umgibt, um Kühlmittel um die Brennstäbe herumzuleiten; der offenendige Kanal (36) einen polygonförmigen Querschnitt hat, der Kanal eine geschlossene Leitung mit flachen Seitenabschnitten bildet, die an Ecken unter Bildung der geschlossenen Leitung verbunden sind; Einrichtungen (30,31,33,35,29), separat von dem Kanal, um die obere und untere Gitterplatte miteinander zu verbinden und die Brennstäbe unabhängig von dem Strömungskanal in beabstandeter Reihe zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (36) verjüngte Seitenwandungen (205) umfaßt, wobei sich die verjüngten Seitenwandungen von einem im Mittel dicken Querschnitt benachbart der unteren Trägerplatte (16) bis zu einem im Mittel dünnen Querschnitt benachbart dem oberen Kerngitter (14) erstrecken, wodurch der Kanal benachbart dem oberen Kerngitter hinsichtlich der Dicke vermindert ist, um dem verminderten Druck benachbart dem oberen Kerngitter zu entsprechen.

2. Brennelement nach Anspruch 1, worin der Kanal (36) einen vergrößerten Querschnitt für Kühlmittelströmung am oberen Ende des Kanales einschließt.

3. Brennelement nach Anspruch 1, worin der Kanal Querrillen (201,202;211,212) in seinen Seiten einschließt, wobei die Rillen im oberen Teil des Kanales breiter und/oder enger beabstandet sind.

4. Brennelement nach Anspruch 1, worin der Kanal Längsrillen (311,312) in seinen Seiten einschließt, wobei diese Rillen im oberen Teil des Kanales breiter und/oder tiefer sind.

5. Brennelement nach Anspruch 1 mit Eckabschnitten (120) für die Kanäle, wobei die Eckabschnitte dicker sind als die Seitenwandabschnitte.

6. Brennelement (13) mit einer Vielzahl von Brennstäben (26), die durch obere und untere Gitterplatten (28,27) in beabstandeter Reihe angeordnet sind, einem offenendigen strömungskanal (36), der die genannte Reihe umgibt, um Kühlmittel zwischen einer unteren Trägerplatte (16), der Kühlmittel zugeführt wird, zu einem oberen Trägergitter (14), mit dem ein Dampf/Wasserauslaß in Verbindung steht, nach oben zu leiten, wobei der Strömungskanal die genannte Reihe umgibt, um Kühlmittel um die Brennstäbe herumzuleiten; der offenendige Kanal (36) einen polygonförmigen Querschnitt hat, der Kanal eine geschlossene Leitung mit flachen Seitenabschnitten bildet, die an Ecken unter Bildung der geschlossenen Leitung verbunden sind; Einrichtungen (30,31,33,35,29), separat von dem Kanal, üm die obere und untere Gitterplatte (28,27) miteinander zu verbinden und die Brennstäbe unabhängig von dem Strömungskanal in beabstandeter Reihe zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungskanal Querrillen (166) umfaßt, die als Strömungsumlenker auf den Innenwandungen des Kanales wirken, um Wasserströmung von einem Pfad benachbart den Seitenwandungen des Kanales zu den Brennstäben zu lenken.

7. Brennelement nach Anspruch 6 mit Quer- oder Längsrillen (207) zwischen Strömungsumlenkern.

8. Brennelement nach Anspruch 6, worin die Strömungsumlenker (166) auf den oberen Abschnitt des Kanales beschränkt sind und Quer- oder Längsrillen (207) im unteren Abschnitt des Kanales einschließen.

9. Brennelement nach Anspruch 6 mit Eckabschnitten (120,140) für die Kanäle, wobei die Eckabschnitte dicker als die Seitenabschnitte sind.

10. Brennelement nach Anspruch 6 mit gewellten bzw. geriffelten Seitenwandungen (412) im unteren Abschnitt des Kanales.

11. Brennelement nach Anspruch 6 mit rampenförmigen Rillen, die in der inneren Oberfläche (2, Fig. 14) über den oberen Abschnitt des Kanales ausgebildet sind, wobei die Rillen von einem großen Querschnitt der Wanddicke am Boden bis zu einem geringeren Querschnitt der Wanddicke am oberen Teil verlaufen.

12. Brennelement nach Anspruch 6, worin die unteren Kanten der Rinnen eine Neigung aufweisen, um der Wasserschicht ein glattes Strömen längs der Wand des Kanales und in die Rillen zu gestatten.

13. Brennelement nach Anspruch 12, worin die Neigung einen Winkel von weniger als 9º hat.

14. Brennelement nach Anspruch 6, worin die oberen Kanten (3, Fig. 14) der genannten Rille eine scharfe Diskontinuität in der Dicke der Kanalwand schafft, die das Wasser, das längs der Rillen fließt, von der Kanalwand wegdrängt.