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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen
Siedewasserreaktor, das eine Anzahl von teillangen Brennstäben
enthält.
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Aus der US-Patentschrift 5,112,570 ist es bekannt, einige der
Brennstäbe eines Brennelements für einen Siedewasserreaktor
kürzer als die übrigen Brennstäbe auszubilden, so dass im
oberen Bereich Leerpositionen im Brennstab-Gitter entstehen.
Diese Maßnahmen dienen dazu, einerseits das Abschaltverhalten
zu verbessern und andererseits die Neigung zu
thermohydraulischer Instabilitäten zu verringern. Das durch den Einsatz
teillanger Brennstäbe verbesserte Abschaltverhalten ist eine
Folge der Vergrößerung des Moderator/Brennstoff-Verhältnisses
im oberen Bereich des Brennelements, die dafür sorgt, dass der
Reaktor auch im kalten Zustand unterkritisch gehalten werden
kann. Darüber hinaus bewirken die Leerpositionen im oberen
Bereich des Brennelements eine Verringerung des
Strömungswiderstandes, so dass der Druckabfall im Zweiphasenbereich und
damit die Neigung zu thermohydraulischen Instabilitäten
verringert ist.
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Ein weiteres Problem bei der Auslegung von Brennelementen für
einen Siedewasserreaktor ist außerdem, dass diese eine
möglichst großen Abstand zur Siedeübergangsleistung haben. Dabei
ist die Siedeübergangsleistung die Leistung, bei der der auf
dem Brennstab befindliche Wasserfilm verdampft, was zu einer
deutlich schlechteren Wärmeübertragung führt (dry out). Wird
die Siedeübergangsleistung überschritten, so bildet sich an
der Oberfläche von in dem Brennelement enthaltenen Brennstäben
ein Dampffilm oder eine Dampfschicht, die einen
Wärmeübergangswiderstand darstellt. Da die im Brennstab erzeugte
Wärmemenge dann vorübergehend nicht mehr vollständig abgeführt
wird, steigt die Temperatur des Brennstabes an, bis sich ein
neues thermisches Gleichgewicht einstellt. Dies kann zu einer
Überhitzung des Brennstabes führen und damit auch zu einer
thermischen Überlastung eines Brennstab-Hüllrohres. Eine
derartige Überhitzung muss unbedingt vermieden werden, weil sie
eine Lebensdauerverkürzung des Brennstabes und damit des
Brennelementes zur Folge hätte.
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Zur Verbesserung des Dry-out-Verhaltens ist es aus der US 5,229,068 A
bekannt, im Brennelement Ablenkelemente,
beispielsweise an den Abstandhaltern angeordnete Drallfahnen,
anzuordnen, die dem gegenüber dem Dampf schwereren Wasser eine
horizontale Geschwindigkeitskomponente verleihen, so dass im
Zweiphasenbereich eine bessere Benetzung der Brennstäbe mit
Wasser erreicht wird. Durch diese Maßnahme kann die
Siedeübergangsleistung erhöht werden.
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Werden solche Ablenkelemente im oberen Bereich des
Brennelementes angeordnet, so bewirkt deren höherer
Strömungswiderstand eine Erhöhung des Druckverlustes im oberen Bereich des
Brennelements, so dass die durch die teillangen Brennstäbe
herbeigeführte Verringerung des Druckverlustes wenigstens zum
Teil wieder kompensiert und die Neigung zu thermohydraulischen
Instabilitäten vergrößert wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein
Brennelement für einen Siedewasserreaktor anzugeben, das sowohl
hinsichtlich seines Dry-out-Verhaltens als auch hinsichtlich
seiner thermohydraulischen Eigenschaften verbessert ist.
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Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein
Brennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß
diesen Merkmalen weist ein Brennelement für einen
Siedewasserreaktor, bei dem eine Mehrzahl von Brennstäben in einer
Mehrzahl voneinander in Axialrichtung des Brennelements
beabstandeten Abstandhaltern gelagert sind, von denen zumindest ein
Brennstab teillang ist, und das mit zumindest im oberen
Bereich des Brennelementes angeordneten Ablenkelementen versehen
ist, Mittel zur Verringerung des durch die Ablenkelemente in
diesem Bereich verursachten Druckverlustes auf.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es
entgegen der in der US 5,229,068 angestrebten Wiederherstellung
eines Druckabfalls im oberen Bereich vielmehr von Vorteil ist,
den Druckabfall weiterhin so niedrig wie möglich zu halten, um
thermohydraulische Instabilitäten zu vermeiden. Mit anderen
Worten: Es sind Maßnahmen vorgesehen, die durch die
Ablenkelemente im oberen Bereich erzeugte Erhöhung des
Strömungswiderstandes durch geeignete strömungstechnische Maßnahmen zu
reduzieren oder zu kompensieren.
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Die Begriffe "oberer Bereich" oder "unterer Bereich" sind im
folgenden derart zu verstehen, dass das Brennelement
gedanklich hinsichtlich seiner Axialausdehnung in zwei Teilbereiche
aufgeteilt wird, die aneinander anschließen. Der "obere
Bereich" kann, muss aber nicht, mit dem Zweiphasenbereich
übereinstimmen, d. h. die Grenze zwischen dem oberen und dem
unteren Bereich stimmt nicht notwendigerweise mit der
Zweiphasengrenze überein und der "obere Bereich" kann kleiner oder
größer als der Zweiphasenbereich sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt diese
Verringerung des Druckverlustes dadurch, dass zumindest einer
der im oberen Bereich angeordneten Abstandhalter einen
reduzierten Druckverlust aufweist. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung kann dies dadurch realisiert werden, dass im oberen
Bereich des Brennelementes, vorzugsweise im Bereich oberhalb
der teillangen Stäbe, Abstandhalter aus einer
Nickelbasislegierung zum Einsatz kommen, deren Stegdicke deutlich niedriger
ist als die Stegdicke der üblicherweise eingesetzten
Abstandhalter aus einer Zirkoniumlegierung. Durch diesen Aufbau wird
außerdem der Axialbereich der guten Moderation nicht durch
Einsatz von Abstandhaltern aus einer Zirkoniumlegierung in
seiner Neutronenökonomie verschlechtert. Diese Maßnahme beruht
auf der Überlegung, dass der Einsatz von Abstandhaltern aus
einer Nickelbasislegierung trotz der an sich ungünstigeren
Korrosionseigenschaften im oberen Bereich des Brennelements
unkritisch ist, da die das Korrosionsverhalten wesentlich
bestimmende Shadow-Korrosion hauptsächlich im unteren Bereich
des Brennelementes auftritt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
können ergänzend oder alternativ zu dieser Maßnahme auch der
Strömungswiderstand der im oberen Bereich des Brennelementes
angeordneten Ablenkelemente nach oben hin verringert sein.
Dies kann einerseits durch Verringerung der Anzahl der
Ablenkelemente oder auch durch eine Verringerung der
Projektionsfläche auf eine zur Axialrichtung senkrechte Ebene (Wirkfläche)
herbeigeführt werden. Dabei kann grundsätzlich der oberste
Abstandhalter auch ohne Ablenkelemente ausgeführt sein.
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Diese Maßnahme geht von der Überlegung aus, dass der
Druckabfall im oberen Bereich des Brennelementes nach oben hin
exponentiell zunimmt, so dass Maßnahmen zum Abbau des Druckabfalls
vor allem im obersten Bereich des Brennelementes zweckmäßig
sind. Mit anderen Worten: Es hat sich als besonders günstig
herausgestellt, den Strömungswiderstand innerhalb des
Brennelementes in der obersten Zone des oberen Bereiches mehr zu
verringern als in der unteren Zone des oberen Bereiches.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich gemäß der weiteren Unteransprüche.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die
Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Brennelement gemäß der Erfindung in einer
schematischen Prinzipdarstellung,
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Fig. 2, 3 jeweils einen Ausschnitt aus einem Abstandhalter mit
quadratischen bzw. runden Maschen zur Aufnahme von
Brennstäben, wie sie in einem unteren Bereich des
Brennelementes Verwendung finden,
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Fig. 4 einen Abstandhalter in einem unteren Abschnitt des
oberen Bereiches des Brennelementes
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Fig. 5 einen Abstandhalter, der über dem in Fig. 4
dargestellten Abstandhalter angeordnet ist,
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Fig. 6 bis 8 jeweils alternative Ausgestaltungen eines
Abstandhalters im oberen Bereich des Brennelementes.
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Gemäß Fig. 1 enthält ein Brennelement eine Vielzahl (ein
Bündel) von Brennstäben 1 bis 3, die sich im Betriebszustand
vertikal zwischen einer unteren Stabhalteplatte 4 und einer
oberen Stabhalteplatte 6 erstrecken. Die Brennstäbe 1 bis 3
sind parallel zueinander angeordnet und in Abstandhalter 11
bis 18 eingespannt. Die Brennstäbe 1 und 2 sind als teillange
Brennstäbe ausgeführt und gegenüber den Brennstäben 3, die
sich auf die gesamte Länge des Brennelementes erstrecken,
verkürzt. Der Figur ist zu entnehmen, dass die teillangen
Brennstäbe 1 kürzer sind als die teillangen Brennstäbe 2.
Während die Brennstäbe 3 normaler Länge nicht oder nur lose
auf der unteren Stabhalteplatte 4 aufstehen, sind die
teillangen Brennstäbe 1, 2 mit ihrem unteren Ende in der
Stabhalteplatte 4 fest verankert.
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Ein unten und oben offener Brennelementkasten 20 umschließt
das Bündel von Brennstäben 1 bis 3 und bildet einen
geschlossenen Kanal für ein durch die untere Stabhalteplatte 4
eintretendes flüssiges Kühlmittel. Das Kühlmittel - vorzugsweise
Wasser - wird auf seinem Weg durch den Brennelementkasten 20
durch die Brennstäbe 1 bis 3 erwärmt und beginnt zu
verdampfen, so dass im oberen Bereich des Brennelements ein Gemisch
aus flüssigem und dampfförmigen Kühlmittel vorliegt.
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Durch den Einbau teillanger Brennstäbe 1, 2 wird der lichte
Kanalquerschnitt im oberen Bereich des Brennelementes größer
als im unteren Bereich, so dass der im Zweiphasenbereich
auftretenden höheren Strömungsgeschwindigkeit entgegengewirkt
ist.
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Die Abstandhalter 11 bis 18 sind auslegungstechnisch in eine
untere Gruppe A (11 bis 14) und in eine obere Gruppe B (15 bis
18) geteilt, wobei die Abstände der Abstandhalter zumindest in
der Gruppe A untereinander gleich groß sind. In der Gruppe B
können die Abstände der Abstandhalter 15 bis 18 auch niedriger
sein. Die durch eine Verringerung der Abstände der
Abstandhalter 15 bis 18 verursachte Erhöhung des Druckverlustes kann
dabei durch eine größere Anzahl teillanger Brennstäbe 1, 2
kompensiert werden. Die Grenze zwischen der unteren Gruppe A
und der oberen Gruppe B kann, muss aber nicht mit der
Zweiphasengrenze oder dem Ende der kürzesten teillangen Brennstäbe 1
übereinstimmen.
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Fig. 2 zeigt in stark vergrößertem Maßstab einen der
Abstandhalter der Gruppe A (11 bis 14) oder den untersten der oberen
Abstandhalter 16 der Gruppe B. Der Abstandhalter ist aus sich
rechtwinklig kreuzenden Stegen 40 aufgebaut, die sich
gegenseitig durchdringen. Die Stege 40 bilden annähernd
quadratische Maschen 42 zur Aufnahme der Brennstäbe 1 bis 3, die in
den Maschen 42 durch Noppen 44 und Federn 46 fest eingespannt
sind. An den Stegen 40 des Abstandhalters sind Ablenkelemente
48 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel der Figur seitlich
abgebogene Drallfahnen sind. Die Drallfahnen sind dabei derart
an den Kreuzungsstellen angeordnet, dass zwischen den
Brennstäben durch die Abstandhalter in Axialrichtung (parallel zu
den Brennstäben) fließendes Kühlmittel abgelenkt wird und eine
senkrecht zur Axialrichtung gerichtete (horizontale)
Geschwindigkeitskomponente, im konkret dargestellten
Ausführungsbeispiel einen Drallimpuls D erhält. Die durch die Drallfahnen
verursachte Drehbewegung erzeugt eine
Zentrifugalbeschleunigung, die die flüssige Phase des Kühlmittels gegen die
Brennstäbe 1 bis 3 schleudert, deren Kühlung verstärkt und die
Gefahr des Entstehens eines Filmabrisses entsprechend
vermindert.
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In gleicher Weise wirkt ein Abstandhalter gemäß Fig. 3, bei
dem die zur Aufnahme der Brennstäbe 1 bis 3 vorgesehenen
Maschen von hohlzylindrischen Hülsen 50 gebildet sind, die
ebenfalls als Ablenkelemente 48 seitlich abgebogenen Drallfahnen
tragen und dem vorbeifließenden Kühlmittel einen Drallimpuls
auf zwingen.
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Fig. 4 zeigt einen Abstandhalter der Gruppe B, der oberhalb
des Abstandhalters gemäß Fig. 2 angeordnet ist. Der Figur ist
zu entnehmen, dass ein Teil der Kreuzungsstellen (in der Figur
durch Schraffur kenntlich gemacht) frei von Ablenkelementen 48
ist. Im Beispiel der Figur ist nun vorgesehen, eine von 4
Kreuzungsstellen ablenkelementfrei zu gestalten. Geeignete
Kreuzungsstellen sind vor allen Dingen die Kreuzungsstellen in
den Eckpunkten solcher Maschen, die oberhalb dem Freiende
teillanger Brennstäbe liegen.
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Fig. 5 zeigt einen Abstandhalter, der oberhalb des
Abstandhalters gemäß Fig. 4 angeordnet ist, und bei dem jede zweite
Kreuzungsstelle frei von Ablenkelementen 48 ist.
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In entsprechender Weise reduzieren sich die Anzahl der
Ablenkelemente bis zum obersten Abstandhalter 18, der grundsätzlich
auch ablenkelementfrei sein kann.
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Weitere alternative Ausgestaltungen sind in Fig. 6 und 7
dargestellt, bei denen die Anzahl der Ablenkelemente pro
Kreuzungspunkt verringert ist (fehlende Ablenkelemente
(ablenkelementfreie Bereiche) durch Schraffur hervorgehoben, Fig. 6)
oder bei denen Stege 40a (Fig. 7) eingesetzt werden, die
keine abgebogenen Drallfahnen aufweisen. Auch in dieser
Ausführungsform sind vor allen Dingen die Drallfahnen eliminiert,
die eine in das Innere einer Masche gerichtete Querströmung
des Kühlmittels erzeugen würden, die nicht von einem Brennstab
durchsetzt wird, sich also oberhalb des Endes eines teillangen
Stabes befindet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist zu
erkennen, dass eine Masche 43 vollständig frei von in ihr
Inneres weisenden Ablenkelementen ist. Solche
ablenkelementfreien Maschen 43 bilden vorzugsweise Leerpositionen, d. h.
befinden sich oberhalb dem Ende teillanger Brennstäbe 1, 2 in
den von diesen eingenommenen Maschenpositionen.
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Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung gemäß Fig. 8
ist vorgesehen, einen Teil der Ablenkelemente 48, im
Ausführungsbeispiel die am Steg 40b angeformten Drallfahnen 48b
entweder kürzer auszuformen oder weniger stark abzubiegen, so
dass deren strömungsablenkende Wirkung und damit auch deren
Strömungswiderstand verringert ist. In dieser Ausführungsform
ist die Summe der Projektionsflächen aller Ablenkelemente 48,
48b eines oberen Abstandhalters kleiner als die Summe der
Projektionsflächen aller Ablenkelemente 48, 48b eines darunter
angeordneten oberen Abstandhalters.
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Ergänzend oder alternativ zu den anhand Fig. 2 bis 8
erläuterten Maßnahmen ist zumindest der oberste oder die oberen
Abstandhalter der oberen Gruppe B aus Stegen aufgebaut, die aus
einer Nickelbasislegierung, insbesondere Inconel, bestehen.
Dies erlaubt bei gleicher mechanischer Stabilität eine
Verringerung der Wandstärke der Stege und bewirkt somit eine
Verringerung des an den Abstandhaltern jeweils entstehenden
Druckverlustes. Grundsätzlich kann auch in der oberen Gruppe
vorgesehen sein, dass zwei benachbarte Abstandhalter identisch
aufgebaut sind, jedoch ist der Strömungswiderstand des
obersten Abstandhalters stets kleiner als der Strömungswiderstand
des untersten des oberen Abstandhalters um der Zunahme des
Druckabfalls entgegenzuwirken.
Bezugszeichenliste
1-3 Brennstab
4, 6 untere, obere Stabhalteplatte
11-18 Abstandhalter
20 Brennelementkasten
40a, b Steg
42, 43 Masche
44 Noppe
46 Feder
48 Drallelement (seitlich abgebogene Blechfahne)
50 Hülse
A, B obere, untere Gruppe
D Drallimpuls