DE1589849A1 - Brennstoffbuendel fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

DipL-Inn. b!rr Michaelis ,jjmhi-, ^,

6 FranLuii/Main I 6 Frankfurl/Main 1 *Frankturt/Main 1

ο ι lain..uif/main I₄ p—ii-j. ami Taunusstr. 20 Postfach3011

Posffach 3011. Posliadi 3011

736-24D-9O2

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA

Brennstoffbündel für Kernreaktoren

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kernreaktoren und betrifft ein Brennstoffbündel für solche Kernreaktoren.

Es ist bekannt, daß bei der Kernspaltung große Energiemengen freigesetzt werden. Hierbei wird ein Neutron von einem spaltbaren Iso-

07.7. OIK ?7Q ?

top wie IT , IT , Pu"^s oder Pu**¹ absorbiert, und daraufhin zerfällt das Isotop unter Spaltung. Bei der Kernspaltung entstehen im Mittel zwei Spaltprodukte von mittlerem Atomgewicht, die eine hohe kinetische Energie besitzen. Außerdem werden noch mehrere ho diener-

235 getische Neutronen freigesetzt. Bei der Spaltung von U entstehen beispielsweise ein leichteres Spaltprodukt, dessen Massenzahl zwischen 80 und 110 liegt, weiterhin ein schwereres Spaltprodukt mit einer Massenzahl zwischen 125 und 155 und im Mittel 2,5 Neutronen. Die pro Spaltung freigesetzte Energie reicht an 200 MeV heran.

Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird sehr rasch als Wärme im Kernbrennstoff vernichtet. Wenn nach der Wärmeerzeugung noch mindestens ein Neutron übrig bleibt, das eine weitere Spaltung induziert, unterhält sich die Spaltimgskette selbst, so daß die Wärmeerzeugung kontinuierlich wird. Die Wärme wird durch ein Kühlmittel

209808/0380

abgeführt, das am Kernbrennstoff vorbeifließt. Die Reaktion kann so lange weiterlaufen, als ausreichend viel spaltbares Material vorhanden ist, das die Einflüsse der Spaltprodukte und andere Neutronenabsorber wie beispielsweise der Steuerstäbe überwiegen kann.

Um die Spaltreaktionen mit einer solchen Geschwindigkeit ablaufen lassen zu könnnen, die die Erzeugung verwertbarer Wärmemengen gestattet, werden heute Kernreaktoren konstruiert und betrieben, in denen das spaltbare Material in Brennstoffelementen untergebracht ist, die als Platten, Röhren oder als Stäbe ausgebildet sind. Der Zweckmäßigkeit halber sollen daher die Brennstoffelemente nachfolgend als Brennstoffstäbe bezeichnet werden. Solche Brennstoffstäbe weisen üblicherweise eine korrosionsbeständige Brennstoffhülse auf, die weder spaltbares noch brütbares Material enthält. Die Brennstoffstäbe werden in vorgegebenen Abständen voneinander in Gruppen angeordnet und als Brennstoffbündel in einen Kühlmittelkanal eingesetzt. Zum Aufbau des Reaktorkerns, in dem die Spaltungskette von selbst weiterläuft, werden eine ausreichende Anzahl solcher Brennstoffbündel zusammengefaßt. Der Reaktorkern wird üblicherweise in einen Reaktorkessel eingesetzt.

Bei der Auslegung von Kernenergieanlagen werden erhebliche Anstrangungen unternommen, die Größe bzw. die Abmessungen des Reaktorkessels zu vermindern, da durch erhebliche Kosten eingespart werden können. Die Verringerung der Kesseldimensionen wird ganz allgemein durch die Verkleinerung der verschiedenen Bauteile ermöglicht, die

209808/0330

innerhalb des Kessels angeordnet werden sollen. HierfüT kommen im besonderen diejenigen Bauteile in Frage, aus denen der Reaktorkern aufgebaut ist. !lan kann also beispielsweise versuchen, die Anzahl und die Länge der Brennstoffbündel zu verringern. Die Erfindung ist nun in der Hauptsache auf eine !Verringerung der Reaktorkernlänge gerichtet, und zwar durch eine Verringerung der Brennstoffbündellänge oder genauer gesagt durch eine Verringerung der LÄnge der unteren Gitterplastte, die ein integraler Bestandteil eines Brennstoffbündels ist. Da die untere Gitterplatte einmal die Brennstoffstäbe haltert und zum anderen als Strömungseintritt füT die Moderator- und Kühlflüssigkeit dient, muß darauf geachtet werden, daß eine solche Verringerung der Abmessungen der unteren Gitterplatte keine störenden Einflüsse auf die Strömungsverhältnisse oder auf andere Funktionen hervorruft. Es ist daher wichtig, daß die mechanische Festigkeit der unteren Gitterplatte der Aufnahme der Brennstoffstäbe wegen ausreichend hoch bleibt und daß sie so ausgebildet ist, daß die richtige Strömungsverteilung des Moderators bzw. des Kühlmittels im Brennstoffbündel gewährleistet ist. Wenn man nämlich der unteren Gitterplatte *β einen zu großen Eintrittswinkel für die Strömung gibt (dieser Winkel wird zwischen der Längsachse des Brennstoffbündels und der Wand des Strömungskanals gemessen), so löst sich die Strömung von den Wänden ab und außerdem werden Dampfblasen in dem Moderator bzw. im Kühlmittel gebildet. Da der Wärmeübergangskoeffizient solcher Dampfblasen erheblich kleiner als der Wärmeübergangskoeffizient im Kühlmittel ist, besteht die Gefahr, daß der untere Teil der Eckstäbe eines Brennstoffbündeis überhitzt wird.

209808/0380

Die Erfindung beinhaltet also ein Brennstoffbündel aus einer Anzahl parallel verlaufender, in einem gewissen Abstand voneinander angeordneter Brennstoffstäbe , die ein quadratisches Raster bilden und von einem Strömungskanal von praktisch quadratischem Querschnitt umgeben sind. Um die Brennstoffstäbe im richtigen Abstand voneinander zu haltern, sind eine obere und eine untere Gitterplatte vorgesehen. Das Gewicht der Brennstoffstäbe wird von der unteren Gitterplatte getragen. Die untere Gitterplatte besteht aus mehreren Einzelteilen, nämlich aus einer quer zur Bündelachse angeordneten flachen Platte, einem rohrförmigen Wandstück und aus einem Übergangswandstück. Die flache Platte ist mit einer Anzahl von Aufnahmeöffnungen versehen, in die die unteren Enden der Brennstoffstäbe eingesetzt werden. Außerdem weist die flache Platte noch eine Anzahl von Öffnungen auf, durch die das Moderator- und Kühlmittel hindurchströmen kann. Das rohrförmige Wandstück weist einen praktisch quadratischen Querschnitt auf, ist strömungsmäßig gesehen hinter der flachen Platte angeordnet und am Rand der flachen Platte befestigt. Das Ende des Obergangswandstückes ist am Eingangssnde des rohrförmigen Wandstückes befestigt und vermittelt den geometrischen Obergang vom quadratischen Querschnitt des rohrförmigen Wandstückes zum kreisförmigen Querschnitt der Eintrittsöffnung für das Kühlmittel.

Man hat nun gefunden, daß der Eintrittswinkel für die Strömung 50° nicht übersteigen soll, und daß dieser Wert des Eintrittswinkels zur Vermeidung der oben aufgeführtn Schwierigkeiten wesentlich ist.

209808/0380

Innerhalb der Gitterplatte nimmt das Kühlmittel seinen Weg zuerst durch das auseinanderlaufende Öbergangswandstück hindurch, tritt dann in das rohrförmige Wandstück ein und strömt dann durch die öffnungen in der flachen Platte hindurch. Von dort aus tritt das Kühlmittel in das eigentliche Brennstoffbündel ein, fließt die Brennstoffstäbe entlang und verläßt das Brennstoffbündel durch die obere Gitterplatte.

Wenn man ein Brennstoffbündel mit einer unteren Gitterplatte versieht, wie sie eben gerade beschrieben wurde, ist es möglich, die untere Gitterplatte erheblich zu verkürzen, das Brennstaffbündel trotzdem unter allen auftretenden Betriebsbedingungen zuverlässig zu haltern und außerdem eine Ablösung der Strömung von den Wänden des Strömungskanals zu vermeiden. Da eine Ablösung 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. Zusätzlich ist die untere Gitterplatte nach der Erfindung mit einer Nase versehen, die das Brennstoffbündel beim Einsetzen in den Reaktorkern schützt. Weitere Merkmale und Vorteile des Brennstoffbündels gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

209808/0380

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kernreaktoranlage mit einem Reaktorkessel, in dem Brennstoffbündel nach der Erfindung verwendet werden können.

Fig. 2 zeigt perspektivisch und teilweise geschnitten ein Brennstoffbündel mit einer unteren Gitterplatte nach der Erfindung.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die untere Gitterplatte an der Linie 3-3 aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab.

Fig. 4 ist ein Schnitt durch die untere Gitterplatte länge der Linie 4-4 nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt das untere Ende der unteren Gitterplatte in vergrößertem Maßstab.

Fig. 6 ist ein Schnitt durch die untere Gitterplatte längs der Linie 6-6 aus Fig. 3.

Fig. 7 zeigt schematisch die untere Gitterplatte sowie den größtmöglichen Eintrittswinkel für die Strömung.

Fig. 7 A ist eine Endansicht der unteren Gitterplatte in Richtung der Pfeile 7A - 7A aus Fig. 7.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch die untere Gitterplatte mit einem Strömungseintrittswinkel, der für einen zufriedenstellenden Betrieb des Reaktors zu groß ist.

209808/0380

Fig. 8A ist eine Endansicht der unteren Gitterplatte in Richtung der Pfeile 8A-8A aus Fig. 8.

Fig. 9 ist ein schematischer Schnitt durch die untere Gitterplatte und zeigt den kleinstmöglichen Wert für den Strömungseintrittswinlcel, der für den Reaktorbetrieb noch zulässig ist.

Fig. 9A ist eine Endansicht der unteren Gitterplatte in Richtung der Pfeile 9A-9A aus Fig. 9.

In Fig. 1 ist schematisch eine Kernreaktoranlage dargestellt, in der die Brennstoffbündel nach der Erfindung verwendet werden können. Es sei bemerkt, daß die Lehren der Erfindung bei verschiedenen Kernreaktoren angewendet werden können, also beispielsweise bei wassermoderierten Reaktoren, bei schwerwassermoderierten und graphitmoderierten Reaktoren, bei organisch- oder natriummoderierten Reaktoren. Die Erfindung ist ebenfalls auf solche Reaktoren anwendbar, die als Moderator und Kühlmittel andere Medien verwenden. Die Erfindung wird jedoch in Verbindung mit einem Siedewasser-Reaktor beschrieben, da sich die erfindungsgemäßen Brennstoffbündel für Siedewasserreaktoren als besonders zweckmäßig erwiesen haben.

Die Kernreaktoranlage aus 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 Brennstoffbtindel 20 aufweist. Jedes Brennstoffbündel besteht aus einer Anzahl von langen Brennstoff-

209808/0380

stäben, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet und mit Hilfe der oberen und der unteren Gitterplatten gehaltert sind. Die beiden Gitterplatten sind mit öffnungen versehen, durch die das Kühlmittel hindurchströmen kann. Jedes Brennstoffbündel ist mit einem offenen Strömungskanal 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 durch die untere Gitterplatte 26 festgelegt. Das obere Ende eines jeden Führiragsrohres ist mit 4 Sockeln ausgerüstet (nicht gezeigt). Außerdem ist jedes obere Ende eines Führungsrohres mit einer kreuzförmigen öffnung versehen. Jedes Führungsrohr 24 trägt vier Brennstoffbündel 20. In jedem der vier Sockel ist die untere Gitterplatte 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 Gitterplatten hindurch^nit den zugehörigen Brennstoffbündeln in Verbindung stehen. Die Steuerstäbe 32 sind gestrichelt dargestellt. Mit diesen Steuerstäben 32 werden der gesamte Leistungspegel und die örtliche Leistungsverteilung in dem Reaktor eingestellt. In jedem Führungsrohr

209808/0380

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 worden. Die Antriebsstangen werden selektiv von einzelnen Antriebsmechanismen betätigt (nicht gezeigt), die die Stellungen der Steuerstäbe in dem Reaktorkern bestimmten. Wie ein solcher Antriebsmechanismus aufgebaut sein kann, der die Steuerstäbe eines Reaktors der hier interessierenden Art auf- und abbewegt, ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 020 887 beschrieben worden.

Innerhalb des Kessels ist ein Ringmantel 34 angeordnet, der den Reaktorkern 18 umgibt, derart, daß sich zwischen dem Ringmantel 34 und der Kesselwand ein Ringraum 36 befindet. Vom Boden des Ringraumes 36 wird Umwälzwassar 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-Wassergeaisch erzeugt, das in den Dom 27 gelaigt. Von dort strömt das Daapf-Wassergemisch in DampfSeparatoren 40 ein. Dort wird der größte Teil des Dampfes von dem Wasser abgetrennt. Der abgetrennte Dampf ströat in den Dampftrockner 42 hinein, der

209808/0380

auf einen Ring 44 montiert ist. Dort wird das restliche Wasser aus dem Dampf entfernt. Der trockene Dampf aus dem Dampftrockner wird an eine Turbine 46 weitergelegitet, die einen elektrischen Generator antreibt. Das Wasser aus den Dampfseparatoren 40 und dem Dampftrockner 42 fließt nach unten und über den oberen Boden des Domes 27 radial nach außen, dann durch die Separatoren hindurch und in den Ringraum 36 hinein. Der Wasserstand im Reaktorkessel ist durch die gebrochene Linie 50 angedeutet.

Abdampf aus der Turbine 46 wird im Kondensorsumpf 52 kondensiert und gesammelt. Das Dampfkondensat wird durch eine Pumpe 54 abgepumpt und als Speisewasser einem Ringverteiler 56 zugeführt, so daß dieses Speisewasser mit dem Wasser gemischt wird, das aus den Dampfseparatoren 40 und dem Dampftrockner 42 stammt. Das Umwälzwasser strömt also aus dem Vorratsraum 30 nachjoben, dann nacheinander durch die Brennstoffbündel 20, den Dom 27, die DampfSeparatoren 40, die obere Kammer 58 und den Ringraum 36 entlang und kommt dann zum Einlaß der Umwälzpumpe 38 zurück. Es sei bemerkt, daß das Wasser auch durch Strahlpumpen umgewälzt werden kann, die im Ringraum 36 angeordnet sind.

Das Wasser aus dem Vorratsraum 30 wird in zwei parallele Teilströme unterteilt.

Der erste Teilstrom, der aus etwa 90 h des gesamten Wassers aus lern Vorratsraum 30 besteht, geht nacheinander durch die öffnung 28 jben in den Führungsrohren 24 und durch die untere Gitterplatte 25

209808/0380

der Brennstoffbündel hindurch, tritt dann in die Brennstoffbündel ein ee e und strömt die Kanäle der Brennstoffbtindel entlang. Dann strömt dieses Wasser durch die oberen Gitterplatten der Brennstoffbündel hindurch und gelangt in den Dom 27. Innerhalb der Strömungskanäle dient dieses Wasser als Moderator und als Kühlmittel für die Brennstoff stäbe. Es lfird dabei zum Teil verdampft, so da* 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 etwa 10 %.

209808/03 80

— j Z~

In der Figur 2 ist ein Brennstoffbündel dargestellt, in dem die untere Gitterplatte 25 erfindungsgemäß ausgebildet ist. Das Brennstoffbündel 20 besteht ganz allgemein aus einem offenen rohrförmigen Kanal 62, aus Brennstoffstaben 64, der unteren Gitterplatte 25, der oberen Gitterplatte 68 und aus Abstandsstücken 70 für die Brennstoffelemente. Die Brennstoffstäbe 64 gehen durch die Abstandsstücke 170 hindurch, die sich an die Innenwand des rohrförmigen Kanales 62 anlehnen. Die Brennstoffstäbe sind an diesen Abstandsstücken gehaltert und sind außerdem noch mit ihren Enden an der oberen und der unteren Gitterplatte befestigt, so daß die Brennstoffstäbe einen festen vorgegebenen Abstand voneinander haben. Die Abstandsstücke der Brennstoffstäbe sind das Brennstoffbündel entlang in vorgegebenen Abständen angeordnet, die beispielsweise 35 - 40 cm betragen können. Außerdem sind sie mit einem oder mehreren Brennstoffstäben verbunden, so daß sich die Abstandsstücke in Längsrichtung nicht mehr bewegen können. Zum Verbinden der Brennstoffstäbe mit den Ab stands stücken gibt es verschiedene !Möglichkeiten. Man kann beispielsweise einen oder mehrere Brennstoffstäbe mit Verrieglungsvorrichtungen versehen, die den gleichen Abstand voneinander haben.

Jeder Brennstoffstab 64 weist eine lange Hülse auf, die spaltbares Material, wie beispielsweise angereichertes Urandioxyd (UO₂) enthält. Das spaltbare Material ist üblicherweise in Form von Pillen hoher Dichte in die Brennstoffhülse eingepackt, so daß die Pillen mit ihren STirnflachen aufeinanderliegen. Man kann das spaltbare Material

209808/0380

aber auch als Pulver oder Partikelchen von hoher Dichte in die Hülse einbringen und es in der Hülse noch einmal verdichten. Die beiden Enden der Brennstoffhülse sind verschlossen, so daß das Kühlmittel mit dem spaltbaren Material nicht in Berührung kommen kann. Außerdem können dann Spaltprodukte nicht mehr aus der Hülse austreten.

Die unteren Enden der Brennstoffstäbe sind auf die untere Gitterplatte 25 aufgesetzt und stimmen mit Aufnahmeöffnungen 72 überein, die in der Gitterplatte vorgesehen sind. Weiterhin ist die untere Gitterplatte mit öffnungen 74 versehen, die neben den Aufnahmeöffnungen 72 liegen und direkt mit der unteren Einlaßöffnung 76 in Verbindung stehen. Das untere Ende des rohrförmigen Kanals 62 geht nach unten um das obere Ende der Gitterplatte herum. Das untere Ende der Gitterplatte ist abgeschrägt und weist einen konischen Sitz auf, der am besten in Fig. 4 zu sehen ist. Wenn das Brennstoffbündel in den Reaktor eingesetzt ist,ruht dieser Sitz auf einem der Sockel, die oben auf dem Führungsrohr 24 aus Fig. 1 angeordnet sind. Das untere Ende der Gitterplatte ist mit einer Nase 80 versehen,die aus drei gekrümmten Teilen besteht, die am Rand der öffnung 76 einen Abstand von 120° haben und ganz unten miteinander verbunden sind. Diese Nase erleichtert das Einsetzen des Brennstoffbündels in den Reaktorkern und schützt außerdem das Brennstoffbündel beim Einsetzen.

209808/0380

In den Figuren 3 bis 6 sind Einzelheiten der unteren Gitterplatte nach der Erfindung dargestellt. Die hauptsächlichsten Bestandteile der Gitterplatte sind ein ebener Platten—teil· 82, der mit einem rohrförmigen Wandstück 84 verbunden ist. Das rohrförmige Wandstück 84 geht in ein Übergangswandstuck 86 über, zu dem auch der konische Sitz 78 gehört. Das Übergangswandstück 86 geht unten in eine zylindrisjie Halterung 90 über, von der die Nase 80 ausgeht. Der Strömungs- vieg des Moderators und Kühlmittels durch die untere Gitterplatte hindurch ist der folgende: Zuerst tritt die Strömung durch diejenigen öffnungen in die untere Gitterplatte ein, die sich zwischen den gekrümmten Teilen 102 der Nase 80 befinden. Daraufhin strömt die Flüssigkeit durch- die zylindrische Halterung 90 hindurch. Daraufhin gelagt die Flüssigkeit in das Übargangswandstück 86 hinein, dessen Querschnitt in Strömungsrichtung größer wird. Dort, wo die Strömung eintritt, ist der Querschnitt des Übergangswandteiles 86 kreisförmig. Der Querschnitt des Übergangswandstückes 86 läuft nach außen auseinander und geht in demjenigen Gebiet in einen quadratischen Querschnitt über, in dem das Übergangswandstück 86 an das rohrförmige Wandstück 84 anschließt. Nun strömt die Flussigkeit^d8£^cSas rohrförmige Wandstück 84 hindurch, dessen Querschnitt durchweg gleichförmig und quadratisch ist. Schließlich strömt die Flüssigkeit durch die Öffnungen 74 der flachen Platte 72 hindurch und tritt in den Strömungskanal 62 des Brennstoffbündels ein, wie es in Figur 2 dargestellt ist.

Wie man den Figuren 3 und 4 entnimmt, ist der Umfang des Plattenteils 82 im wesentlichen quadratisch. Außerdem sind die untere und die obere

209808/0580

Fläche des Plattenteils 82 eben ausgebildet. Der Plattenteil 82 ist mit den Aufnahmeöffnungen 72 versehen, in denen die Brennstoffstäbe sitzen. Diese Aufnahmeöffnungen 72 befinden sich in Halterungen Außerdem ist der Plattenteil 8 2 mit öffnungen 74 versehen, durch die der Moderator und das Kühlmittel hindurchströmen können. Diejenigen Halterungen 94, die am Rand des Plattenteils 82 angeordnet sind, sind zusammen mit dem oberen Ende des Wandstücks 84 aus einem Stück hergestellt. Diejenigen Halterungen 94, die im Inneren des Plattenteils 82 angeordnet sind, sind durch eine Anzahl von Stegen 96 miteinander verbunden, mit denen sie aus einem Stück hergestellt sind. Die Stege 96 sind außen an den Halterungen 94 in Winkelabständen von jeweils 90° angeordnet. Die Halterungen 94 sind mit den Aufnahmeöffnungen 72 versehen, deren obere Kanten konisch abgeschrägt sind, so daß die unteren Enden der Brennstoffstäbe auf diesen konisch abgeschrägten Kanten sitzen. Die öffnungen 74, die am Rand des Plattenteils 8 2 angeordnet sind, sind zwischen äußeren Oberflächen der Halterungen 94, der Stege 96 und des Wandstücks gebildet. Die öffnungen 74, die im Inneren des Plattenteils 8 2 angeordnet sind; sind von den Außenflächen der Halterungen 94 und der Stege 96 umrahmt. Die Aufnahmeöffnung 72*, die genau in der Mitte der Gitterplatte angeordnet ist, weist einen quadratischen Querschnitt auf, in de ein quadratischer Halterungsstift eingesetzt v.'ird, der unten am zentralen Brennstoffs tab angeordnet ist. Der zentrale Brennstoffstab ist mit Verriegelungsvorrichtungen versehen, die in Längsrichtung in den richtigen Abständen angeordnet sind und an den Abstandsstücken 70 des BrennstoffbundeIs aus Fig.

209808/0300

angreifen. Wenn der quadratische Halterungsstift des zentralen Brennstoffstabes in die quadratische Aufnahmeöffnung eingesetzt ist, kann sich der zentrale Brennstoffstab nicht mehr drehen, so daß die Abstandsstücke 70 fixiert bleiben. Eine Anzahl von Aufnahmeöffnungen, wie beispielsweise die Aufnahmeöffnungen 72" sind mit Gewinde versehen worden, in die Brennstoffstäbe eingescharubt werden können, die ebenfalls mit Gewinde versehen worden sind. Auf diese Weise kann man diejobere und die untere Gitterplatte mechanisch miteinander verbinden.

Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, ist der Querschnitt des Wandstückes 84 im wesentlichen quadratisch. Dieses Wandstück ist außen an seinem unteren Teil mit 4 Schultern 98 versehen. Wie in den Figuren 2 und 4 dargestellt ist, gleitet der Strömungskanal 62 über die äuflBre Oberfläche des Wandstückes 84. Wenn das Brennstoffbündel zusammengesetzt ist, und wenn der Reaktor in Betrieb genommen ist, sind die Abmessungen und die Ausdehnungseigenschaften der verschiedenen Einzelteile des Brennstoffbündefc so gewählt, daß die untere Kante des Strömungskanales 62 mit den Schultern 98 nicht in Berührung kommen. Die schultern 98 dienen daher für den Strömungskanal 62 als HiIfsanschlage, die zum Tragen kommen, wenn die Ansätze 100 defekt werden, die über die oberen Ecken des Kanals 62 gelegt sind, da in diesem Fall der Strömungskanal 62 nach unten gleiten würde. Es sei bemerkt, daß die Strecke A (siehe Fig. 4) die untere Grenze derjenigen Entfernung darstellt, über die sich das untere Ende des Strömungskanales 62 und das obere Ende des Wandstückes

209808/0380

84 überlappen sollen. Dieses ist notwendig, um Nebenströmungen aus dem Inneren des Brennstoffbündels zum Vorratsraum 13 im Reaktorkessel zu vermeiden. Die Streike, Über die sich der Strömungskanal 62 und das Wandstück 84 überlappen, beträgt vorzugsweise etwa 2,5 cm, wenn das Spiel zwischen der inneren Fläche des Strömungskanales 62 und der äußeren Bäche des Wandstückes 84 etwa 0,25 mm beträgt. WEnn der Reaktor in BEtrieb genommen und von einer Temperatur von etwa 20⁰C auf eine Temperatur von etwa 285⁰C aufgeheizt wird, ist die Ausdehnung des Strömungskanales 62 etwa 1 cm größer als die Ausdehnung der Brennstoffbündel. Das ist durch die Strecke B und durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 gezeigt. Die Strecke C beträgt etwa 7,5 mm. Dieser Abstand wird vorgesehen, um zu vermeiden, daß sich bei der Addition der Toleranzen des Brennstoffbündels die untere Kante des Strömungskanales 62 auf die Schulter 98 der unteren Gitterplatte auflegt. Die äußere Oberfläche des Wandstückes 84 hat einen quadratischen Querschnitt, so daß der Strömungskanal 62 über das Wandstück 84 herüber geschoben werden kann. Auch der Querschnitt der Innenfläche des Wandstückes 84 ist quadratisch, so daß sämtliche Brennstoffelemente von der Strömung erfaßt werden können, die in einem praktisch quadratischen Raster angeordnet sind, wie es am besten aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht.

Die Wanddicke des Übergangswandstückes 86 ist überall gleich, wie es am besten aus den Figuren 4 und 6 hervorgeht. Das Übergangswandstück läuft nach unten zusammen und stellt den Übergang zwischen rr oer-eyr»

209808/0380

dem quadratischen Querschnitt am unteren Ende des Wandstückes 84 und dem kreisförmigem Querschnitt am oberen der zylindrischen Halterung 90 her. Die Größe des Winkels, mit dem das Übergangswandstück nach unten zusammenläuft ist eine kritische Größe. Das wird noch im einzelnen erörtert.

Der konische Sitz 78 ist am unteren Ende des Übergangswandstücks 86 eingearbeitet. Dieser Sitz 78 legt das Brennstoffbündel in senkrechter und in waagrechter Richtung fest, wenn das Brennstoffbündel auf das obere Ende eines Führungsföhres 24 im Reaktor aufgesetzt ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Die zylindrische Halterung 90 geht vom unteren Ende des Wandstückes 86 aus. Die zylindrische Halterung 90 trägt zur effektiven Länge des Brennstoffbündeis nichts bei, wenn das Brennstoffbündel im Reaktor eingesetzt ist, da die zylindrische Halterung 90 in die Sockel eingesetzt wird, die an oberen Ende eines Führungsrohres 24 aus Fig. 1 angeordnet sind. Die zylindrische Halterung 90 dient hauptsächlich dazu, das Brennstoffbündel in Querrichtung zu fixieren, wenn während des Reaktorbetriebs nennenswerte Schwingungen auftreten oder Querkräfte auf das Brennstoffbündel ausgeübt xierden. Wie am besten in den Fig. 4 bis 6 zu sehen ist, gehen vom unteren Ende der zylindrischen Halterungen 90 drei bestimmte Körper 102 ab, die sich in einem gemeinsamen Punkt vereinigen und zusammen die Nase 80 bilden. Die Nase 80 dient dazu, das Brennstoffbündel beim Einsetzen in den Reaktor zu führen, Außerdem schützt diese Nase das Brennstoffbündel, wenn es auf seinem einen Ende ruht.

'X)PY

209808/0380

In den Figuren 7 bis 9 sind drei verschiedene untere Gitterplatten dargestellt, die sich in ihrem Eintrittswinkel für die Strömung unterscheiden. Dieser .Strömungseintrittswinkel bestimmt die Strömungseigenschaften des Moderators und Kühlmittels, das durch die unteren Gitterplatten hindurch den Brennstoffstäben in den Brennstoffbündel des Kernreaktors zugeführt wird. Die Figuren 7 und 7A zeigen einen Diagonalschnitt und eine Draufsicht auf die untere Gitterplatte nach der Erfindung. Die Fig. 8 und 8A zeigen einen Diagonalschnitt und eine Draufsicht auf eine Gitterplatte, bei der der Strömungseintrittswinkel zu groß ist. Die Figuren 9 und9A zeigen einen Diagonalschnitt und eine Draufsicht auf eine untere Gitterplatte, deren Strömungseintrittswinkel so klein ist, daß er aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten heraus gerade noch hingenommen werden kann.

Der Kinkel θ-der Gitterplatte nach Fig. 7 beträgt etwa 50°. Diese ist etwa der maximal zuslässige Wert für den Strömungseintrittswinkel. Man sieht aus den Figuren 7 und 7A, daß sich die Strömung in den Ecken des Übergangswandstückes 86 der unteren Gitterplatte noch nicht ablöst, wenn die Geschwindigkeit des Moderators und Kühlmittels in der zylindrischen Halterung 90 etwa 4,5 m pro Sekunde»beträgt. Eine Strömungsgeschwindigkeit von 4.5 m pro Sekunde ist etwa die maximale Strömungsgeschwindigkeit, die beim Betrieb eines typischen Kernreaktors auftritt. Daher werden alle Brennstoffstäbe_r also fauch die Eckstäbe ausreichend mit Kühlmittel bzw. mit Moderator versorgt. Zusätzlich wird durch die Wahl des Winkels θ-j zu 50° die axiale Höhe (I₁) des Übergangswandsttickes 86 der unteren Gitterplat-

209808/0380

te merklich verringert, so daß auch die gesamte Höhe (L^) der unteren Gitterplatte abnimmt. Außerdem hat sich herausgestellt, daß bei der Verwendung eines Eintirittswinkels Θ- von etwa 50° übermäßig große Spannungen in der unteren Gitterplatte nicht auftreten, so daß das Brennstoffbündel während des Einsetzens der Brennstoffbündel in den Retaktorkern und während aller Betriebsbedingungen zuverlässig gehaltert ist. Der Winkel θ^, der in Fig. 6 dargestellt ist, beträgt etwa 40°. Dieser Winkel hat sich während des Reaktorbetriebs als zufriedenstellend erwiesen.

In der ELg. 8 ist schematisch eine untere Gitterplatte dargestellt, bei der der Strömungseintrittswinkel (θ₂) etiva 70° beträgt, Aus den Figuren 8 und 8A geht hsrvor, daß sich die Strömung in der Mähe der Wandteile 86' der unteren Gitterplatte ablöst und daß sich an dieser Stelle Danpfblasen bilden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Moderators- und des Kühlmittels in der zylindrischen Halterung die gleiche ist, wie ir Beispiel nach Fig. 7. Ein großer Strömungseintrittswinkel θ~ führt auch auf eine ungünstige Strörungsverteilung in den unteren Gebieten des Brennstoffbündeis, da das Kühlmittel hauptsächlich durch die Mitte des flachen Plattenstückes 8 2 hindurchströmt. Daher fließt an den Eckstäben weniger Kühlmittel als an dem zentralen Stab verbei, so daß die Eckstäbe zu heiß werden können. Die Abslösung der Strömun" von den Wandteilen 86^f führt auf die Bildung von Dampfblasen 104 in dem Kühlmittel, dia einen, merklich niedrigeren Wärmeübergansskoeffizienten als das Kühlmittel in flüssiger Phase aufweisen. Dadurch können die Eckstäbe in dem

209808/0386

unteren Gebiet des Brennstoffbündels überhitzt werden. Dieses ist aber ungünstig, da die überhitzung der Brennstoffstäbe eine schnelle Zerstörung der Brennstoffhülse herbeiführen kann, die unter extremen Umständen sogar schmelzen kann. Außerdem ist eine überhitzung am unteren Ende des Brennstoffstabes auch deswegen ungünstig, ά dadurch so große Temperaturunterschiede zwischen dem unteren Hülsenende und dem Verschlußpfropfen entstehen können, mit denen die Hülse unten verschlossen ist, daß die Schweißnaht beschädigt v/erden kann, durch die die Brennstoffhülse mit dem Verschiußpfropfen verbunden ist.

In der Figur 9 ist schematisch eine untere Gitterplatte dargestellt, bei der der Strömungseintrittswinkel Θ- etwa 20° beträgt. Aus den Fig. 9 und 9A geht hervor, daß sich die Strömung vom Übergangswandstück 86" der unteren Gitterplatte nicht ablöst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in der zylindrischen Halterung die gleiche wie im Beispiel nach Fig. 7 ist. Es werden daher alle Brennstoffstäbe, das heißt auch die Eckstäbe ausreichend gut mit Moderator- und Kühlmittel versorgt. Durch Vergleich mit der Figur 7 kann man jedoch sehen, daß die Höhe I₃ des Übergangswandstückes 86" der unteren Gitterplatte nach Fig. 9 merklich größer als die Höhe 1- des Übergangswandstückes aus Fig. 7 ist, und daß daher die Gesamthöhe L₃ der unteren Gitterplatte nach Fig. 9 zu groß ifird.

Vorstehend ist also ein erfindungsgemäßes Brennstoffbündel für einen Kernreaktor beschreieben worden, dessen Höhe besonders klein ist, das außerdem eine ausreichende mechanische Festigkeit bietet und bei

2Q98Q8/O380'

dem Störungen in den StrömungsVerhältnissen für den Moderator und das Kühlmittel vermieden werden, durch die das ^T.värmeübergangsverhalten im Kernreaktor beeinträchtigt werden kann. Es sei bemerkt, daß die beschriebenen ErennstoffDündel in manchem abgewandelt werden lönnen, daß also ihre Länge, ihr Breite, ihre Dicke oder auch die Gestalt der verschiedenen Einzelteile geändert wurden können, sofern diese Änderungen nicht den beschriebenen Zielen und Vorteilen entgegenstehen.

COPY 209806/0360

Claims (5)

15B9849 -23-Patentansprüche

1. Brennstoffbündel für Kernreaktoren, d a d u r c h % e - ■ k e η η ζ e I c hn e t _: daß es eine Anzahl in einem quadratischen Raster angeordnete Brennstoffstäbe aufweist, die von einem StröHungskanal mit quadratischem Querschnitt umgeben sind, daß die Enden der Brennstoff stäbe an einer oberen und an einer unteren Gitterplatte befestigt sind, daß die untere Gitterplatte einen ebenen Plattenteil aufweist, der mit Aufnahmeöffnungen für die Brennstoffstäbe und mit Öffnungen versehen ist, durch die Iv^ilmittel hindurchfließen kann, daß die untere Gitterplatte weiterhin ein Wandstück mit quadratischem Querschnitt aufweist, das am Rand des Plattenteils befestigt ist, daß die untere Gitterplatte schließlich noch ein Obergangswandstüclc aufweist, das mit dem Wandstück mit quadratischem Querschnitt verbunden ist, konisch zusammenlaufend ausgebildet ist und den Übergang von dem quadratischen Querschnitt zu einem kreisförmigen Querschnitt vermittelt, und daß der Winkel, unter dem das Übergangswandstück konisch zusammenlaufend ausgebildet ist, nicht größer als etwa SO⁰ ist.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch g e ke η η ζ e i c h η e t , daß der Neigungswinkel der von denfvier Ecken des quadratischen Querschnittes ausgehenden konisch zusammenlaufenden Kanten gegenüber der Längsachse der unteren Gitterplatte zwischen 2©° und 50° liegt.

2 09806/03 8 0 C°^PY

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet· daß an das Ende des Übergangswandstückes mit kreisförmigem Quaschnitt ein kurzes zylindrisches handstück angesetzt ist.

4. Brennstoffbündel nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Nase, die durch drei von dem kurzen zylindrischen Wandstück ausgehenden gekrümmten Teilen gebildet ist, deren andere Enden in einem gemeinsamen Punkt verbunden sind.

5. Brennstoffbündel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet « daß die Außenwand des Obergangswandstückes dort als konischer Sitz ausgebildet ist,v.^ro der Querschnitt des Übergangswandstückes kreisförmig ist.

209808/038Ö