DE29923315U1 - Brennelement mit Abstandhaltern für Druckwasser-Reaktoren - Google Patents

Description

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Beschreibung

Brennelement mit Abstandhaltern für Druckwasser-Reaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für den Einsatz in einem Druckwasser-Reaktor, mit praktisch parallel zu einer Brennelement-Achse angeordneten Brennstäben, die über einen senkrecht zur Achse liegenden Querschnitt des Brennelements verteilt sind und die Maschen von einem ersten Gitter und einem zweiten Gitter durchsetzen. Dabei ist das Brennelement von unten entlang seiner Achse mit Kühlmittel durchströmbar. Nur das erste Gitter weist Strömungsleitelemente auf, durch die zur Durchmischung des Kühlmittels der Kühlmittelströmung lokal eine translatorische Bewegungskomponente quer zur Brennelement-Achse aufprägbar i'st (US-PS 4,804,516).

Brennelemente stehen beim Betrieb in Leichtwasser-Reaktoren in einem starken den gesamten Reaktorkern axial von unten durchströmenden Kühlmittelstrom. Dabei sind die Druck- und Temperaturverhältnisse im Kühlmittel, das gleichzeitig als Moderator wirkt, auf die Wärmeleistungsproduktion der durchströmten. Brennelemente derart abgestimmt, daß eine möglichst effektive Wärmeabfuhr unter Berücksichtigung der Neutronenökonomie erreicht wird.

Entsprechend der unterschiedlichen Druck- und Temperaturverhältnisse bei Siedewasser-Reaktoren im Vergleich zu Druckwasser-Reaktoren sind bei den unterschiedlichen Reaktortypen verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden, um obiges Ziel am besten zu erreichen.

Bei Siedewasser-Reaktoren wird ein wesentlicher Teil der im Brennelement produzierten Wärme bei konstantem Druck und Temperatur in den Phasenübergang des Kühlmittels von einer flüssigen zu einer festen Phase eingebracht, d.h. in Form von freier Enthalpie abgeführt. Bei Siedewasser-Reaktoren liegt deswegen das Kühlmittel (Wasser) im unteren Teil des Brenn-

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elements im wesentlichen als flüssige Phase vor, im oberen Teil des Brennelements und/oder Reaktorkerns aber zunehmend mit dampfförmigen Anteilen einer gasförmigen Phase (etwa 30 % Volumenanteil und mehr). Wie in der EP 0 517 750 erläutert, ist es aus diesem Grund besonders vorteilhaft, bei Siedewasserreaktor-Brennelementen Strömungsleitelemente anzubringen, die den Kühlmittelstrom so beeinflußen, daß die Brennstab-Oberflächen weitgehend von einer flüssigen Phase des Kühlmittels (Wasser) benetzt sind. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn flüssige und dampfförmige Phasen eines Kühlmittels getrennt werden.

Entsprechend der genannten EP 0 517 750 ist dieses Ziel besonders gut erreichbar, wenn an der dem Kühlmittelstrom abgewandten oberen Seite eines Abstandhalters, in welchem die Brennstäbe in Maschen gehalten werden, Strömungsleitelemente (Fahnen) so angebracht sind, daß sie eine rotatorische Bewegung des Kühlmittels quer zur Brennelement-Achse bewirken, d.h. einen Drall im Kühlmittel erzeugen, welcher der axialen Aufwärtsströmung des Kühlmittels überlagert ist. Dabei werden flüssige und dampfförmige Anteile des Kühlmittels durch die Zentrifugalkraft getrennt, so daß flüssige Phasenanteile des Kühlmittels aufgrund ihren höheren Masse nach außen an die Brennstaboberflächen geschleudert werden. Deshalb sind solche Strömungsleitelemente im folgenden als „Entmischungselemente" bezeichnet. Vorteilhaft erzeugen sie eine rotatorische Kühlmittelbewegung in einem Strömungsunterkanal des Brennelements. Dabei wird ein Strömungsunterkanal durch einen zwischen vier am nächsten benachbarten Brennstäben liegenden Zwischenraum gebildet.

Außerdem sind die Abstandhalter bei Siedewasser-Brennelementen durch einen das Brennstab-Bündel seitlich umgebenden Kasten mechanisch von den Abstandhaltern benachbarter Brennelemente entkoppelt. Daher können Anzahl und Position der Abstandhalter für jedes einzelne Brennelement frei gewählt werden. Z.B. können im unteren Bereich die Abstandhalter in ei-

nem Abstand angeordnet werden, der durch die mechanische Abstützung der Brennstäbe gegeben ist, während sie im oberen Teil dichter aufeinander folgen können, um durch entsprechende Mischflügel den genannten Drall aufrecht zu erhalten bzw. zu erneuern.

Demgegenüber wird bei Druckwassec-Reaktoren der weitaus größere Anteil der von Brennelementen erzeugten Wärme durch eine konvektive Wärmeabfuhr im flüssigen Kühlmittel bewirkt. Entsprechend der höheren Druckverhältnisse bei Druckwasser-Reak-

toren (170 bar) im Vergleich zu Siedewasser-Reaktoren (30 y-v bar) liegt das Kühlmittel sowohl in einem unteren Teil eines Druckwasserreaktor-Brennelements als auch in einem oberen Teil des Druckwasserreaktor-Brennelements im wesentlichen als flüssige Phase vor.

In diesem Fall kommt es also darauf an, daß lateral (transversal) Über den Querschnitt eines Brennelements und/oder im Kam eines Druckwasserreaktors möglichst eine gleichmäßige Temperaturverteilung herrscht. Bei Druckwasserreaktoren ist . es wichtig, daß das Kühlmittel möglichst gleichmäßig durchmischt wird, insbesondere also von einer heißen Brennstab-Oberfläche in kältere Kühlmittelbereiche abgeführt wird. Zu diesem Zweck sind üblicherweise bei Abstandhaltergittern von Druckwasserreaktor-Brennelementen speziell auf die Druck- und Temperaturverhältnisse von Druckwasser-Reaktoren ausgelegte Fahnen zur Durchmischung von Kühlmittel und damit zur Unterstützung einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung über den Querschnitt eines Brennelements, abgebracht.

Auch in diesem Tall sind Fahnen an der dem Kühlmittelstrom abgewandten Seite von Abstandhaltern eines Druckreaktor-Brennelements angebracht/ und zwar mindestens an Abstandhaltern im oberen Teil eines Brennelements. Man geht beispielsweise in der US-Patentschrift US 4,804,516 davon aus, daß eine Durchmischung des Kühlmittels insbesondere im oberen Teil eines Druckwasserreaktor-Brennelements wichtig ist, während

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beim Anbringen von solchen kühlmittelmischenden Strömungsleitelementen im unteren Teil Nachteile (z.B. hohe Druckverluste) auftreten, und diese deswegen unnötig oder weniger ausgeprägt sind.
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Insbesondere werden auch Abstandhalter verwendet, welche wie in der US-Patentschrift 4,849,161 beschrieben, besonders günstige Eigenschaften zur Durchmischung von Kühlmittelströmen aus verschiedenen Unterkanälen aufweisen. Dabei wird dem Kühlmittel lokal eine vorwiegend translatorische Bewegung aufgeprägt, die aber letztlich - nicht lokal - zu einer Zirkulation des Kühlmittels um einen Brennstab führt.

Bei dieser Art von Abstandhaltern für Druckwasserreaktor-Brennelemente wird ein möglichst geringer Drall des Kühlmittels in einem Unterkanal erzeugt; es wird aber Kühlmittel durch in den Stegen eines solchen Abstandhalters angebrachten Strömungstunnel von einem Strömungsunterkanal in einen benachbarten Strömungsunterkanal gedrängt, so daß im Ganzen eine sehr gute Durchmischung des Kühlmittels in Druckwasser-Reaktoren erreichbar ist.

Anzahl und Position der Abstandhalter sind dabei dadurch vorgegeben, daß die Abstandhalter eines neuen Brennelements sich zumindest in regelmäßigen Abständen an Abstandhaltern daneben angeordneter, bereits vorhandener Brennelemente abstützen müssen und höchstens zwischen diesen Stützebenen zusätzliche Gitter (sogenannte „Zwischengitter") eingezogen werden können, die für die mechanische Abstützung der Brennstäbe ohne Bedeutung sind und lediglich der besseren Durchmischung dienen, also z.B. ebenfalls Fahnen tragen, wenn bereits die Abstandhalter solche Fahnen tragen. Solche Fahnen erzeugen jedoch auch höhere Druckverluste.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennelement anzugeben, das gute thermohydraulische Eigenschaften aufweist.

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Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von dem eingangs genannten Brennelement aus und sieht vor, daß das erste Gitter im unteren Teil des Brennelements angeordnet ist und das zweite Gitter im oberen Teil des Brennelements angeordnet ist und Entmischungselemente aufweist, durch die dem Kühlmittel lokal eine überwiegend rotatorische Bewegungskomponente quer zur Brennelement-Achse zur Trennung seiner dampfförmigen von seinen flüssigen Anteilen aufprägbar ist.

Bei einem solchen Brennelement sind die Brennstäbe in einem regelmäßigen Muster angeordnet und durchsetzen Maschen eines Gitters des Abstandhalters. Dieses kann ein Abstandhaltergitter sein, das neben Stützelementen für die Brennstäbe auch Strömungsleitelemente aufweist oder es kann ein Mischgitter sein, das vor allem Strömungsleitelemente aufweist und von den Brennstäben in der Regel durchsetzt wird, ohne daß diese besonders gehalten sind. Die Gitter sind praktisch parallel zum Querschnitt des Brennelements ausgerichtet und entlang der Brennelement-Achse verteilt.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß beim Einsatz des Brennelements in einem Druckwasser-Reaktor in.einem Unterteil des Brennelements überwiegend praktisch keine dampfförmigen Anteile des Kühlmittels vorhanden sind und sich deswegen eine gleichmäßige Durchmischung des Kühlmittels positiv auf eine verbesserte Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel auswirkt. Dagegen sind, insbesondere bei den hohen Leistungsdichten im Brennstoff moderner Druckwasser-Reaktoren, im oberen Teil des Brennelements dampfförmige Anteile unvermeidbar (etwa maximal 5% bis 10 % dampfförmige Volumenanteile im Verhältnis zu flüssigen Volumenanteilen). Diese entstehen beispielsweise durch lokale Siedevorgänge an Unebenheiten der Brennstaboberflächen und können als Dampfbläschen entlang dieser Oberflächen nach oben perlen. Diese Dampfbläschen sind unerwünscht und gefährlich, wenn sie sich zu einem Dampffilm auf der Oberfläche vereinen, da dann die thermische Leitfähigkeit sprungartig sinkt und eine Überhitzung des Stabs ein-

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tritt. Deshalb sind im oberen Teil auch bei Druckwasserreaktor-Brennelementen Entmischungselemente für eine Trennung von flüssigen und gasförmigen Anteilen des Kühlmittels vorgesehen - und zwar so, daß die flüssigen Anteile auf die Oberfläche eines Brennstabs geschleudert und entsprechend die gasförmigen Anteile von der Oberfläche abgeführt werden. Dies hat den Vorteil, daß insbesondere im heißesten oberen Teil eines Druckwasserreaktor-Brennelements eine Überhitzung durch einen Dampffilm vermieden wird und sogar ein größerer Dampfanteil zu einer besseren Kühlung führt und höhere Brennstab-Temperaturen zuläßt. Sowohl konvektive Wärmeabfuhr als auch eine Wärmeabfuhr im Verlauf einer Phasenumwandlung über die freie Enthalpie werden nämlich unterstützt, indem flüssige Anteile des Kühlmittels vornehmlich auf die Brennstab-Oberflächen geschleudert werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß zusätzlich ein unteres und ein oberes Gitter vorgesehen sind. Insbesondere kann dies ein unterstes und oberstes Gitter sein. Durch ein solches unteres Gitter können die speziellen thermohydraulischen Verhältnisse beim Einströmen des Kühlmittels in den Druckwasser-Reaktorkern, d.h. im Bereich direkt oberhalb des Brennelementfußes, berücksichtigt werden. Beispielsweise ist in diesem Bereich die Kühlmittelströmung bereits stark durch unerwünschte Turbulenzen beeinflußt, die zu Schwingungen der Brennstäbe führen können und durch eine geeignete Konstruktion des unteren Gitters nicht verstärkt, sondern möglichst gedämpft werden sollen. Ebenso ist es vorteilhaft, daß ein oberes Gitter die besonderen Verhältnisse der Kühlmittelströmung beim Ausströmen aus dem Druckwasser-Reaktorkern berücksichtigt. Beispielsweise brauchen dort nicht notwendigerweise Enmischungselemente vorhanden sein, da sich oberhalb eines oberen Gitters ein überwiegend brennstoffreier Teil des Brennelements anschließt, und somit keine weitere Aufheizung des Kühlmittels mehr erfolgt. Am oberen Gitter angebrachte Entmischungselemente würden nur wenig Vorteile bringen, dagegen aber einen unnötigen Druckverlust im Kühlmittelstrom bewirken. Es

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ist deshalb vorteilhaft, wenn am oberen Gitter keine Entmischungselemente vorhanden sind.

Jeweils einander benachbarte Brennstäbe bilden Strömungsunterkanäle, in denen eine Kühlmittelströmung besonders ausgeprägt ist. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es besonders günstig, daß durch Entmischungselemente des zweiten Gitters dem Kühlmittelstrom im wesentlichen innerhalb eines Strömungsunterkanals - also lokal - eine Drehbewegung aufprägbar ist. Es ist ebenso günstig, daß das erste Gitter Strömungsleitelemente aufweist, durch die Kühlmittel zumindest teilweise aus einem ersten in einen zweiten Strömungsunterkanal umleitbar ist. Diese Strömungsumleitung kann so vorgenommen werden, daß sich durch Addition der Umleitungen zwisehen benachbarten Strömungsunterkanälen oder Abstandhaltern Querströmungen ausbilden, die zum Durchmischen und zum Temperaturausgleich in einer ganzen Querschnittsebene des Kerns führen. Andererseits belasten solche Querströmungen die mechanische Stabilität der Brennstäbe und es kann vorteilhaft sein, diese Umleitungen lokal auf einzelne benachbarte Unterkanäle zu beschränken.

Nach der genannten Weiterbildung der Erfindung wird die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel bei einem Druckwasserreaktor also gleichzeitig durch zwei völlig unterschiedliche Konzepte - zum einen die Entmischung von Kühlmittel in einem Strömungsunterkanal und zum anderen die Durchmischung von Kühlmittel von einem Strömungsunterkanal in einen benachbarten Strömungsunterkanal - entsprechend den Strömungsverhältnissen in Druckwasser-Reaktoren verbessert.

Es ist weiter vorteilhaft, daß das erste Gitter und das zweite Gitter Stützelemente für einen Brennstab aufweisen. Das erste Gitter im unteren Teil des Brennelements dient dann sowohl als Mischgitter, aber auch als Abstandhalter. Zudem kann ein zweites Gitter im oberen Teil des Brennelements als Entmischgitter dienen, aber auch als Abstandhalter.

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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das erste Gitter Strömungsleitelemente auf, die jeweils als Fahne am Gitter gehalten sind. Es ist aber auch vorteilhaft, daß das erste Gitter Strömungsleitelemente aufweist, die jeweils in Form eines Strömungsleittunnels in einem Steg des Gitters eingearbeitet sind.

Dies hat den Vorteil, daß das erste Gitter im Hinblick auf die besonderen Anforderungen im unteren Teil des Brennelements besonders gut ausgebildet werden kann. So weist beispielsweise ein Gitter mit Fahnen eine besonders gute Formstabilität auf, wohingegen ein Gitter mit in Stegen eingearbeiteten Strömungsleittunneln besonders gute Korrosions- und Mischeigenschaften aufweist.

Ebenso weist das zweite Gitter vorteilhaft Entmischungselemente auf, die als Fahnen ausgebildet sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es günstig, daß unter dem zweiten Gitter mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier Gitter in der Art des ersten Gitters angeordnet sind. Ebenso ist es günstig, daß über dem ersten Gitter.men-, rere Gitter, insbesondere drei oder vier Gitter in der Art des zweiten Gitters angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß insbesondere im mittleren Teil des Brennelements - je nach Reaktortyp - ein Gitter gewählt werden kann, das den besonderen Anforderungen des speziellen Reaktors gerecht wird.

Anhand einer Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen zum Teil in schematischer Darstellung:

FIG 1 eine Ausführungsform eines oben genannten Brennelements,

FIG 2 eine erste Ausführungsform eines Mischgitters, zur Verwendung als erstes Gitter, in einem oben genannten Brennelement,

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FIG 3 eine erste Ausführungsform eines Entmischgitters, zur Verwendung als zweites Gitter in einem oben genannten Brennelement,

FIG 4 eine zweite Ausführungsform eines Mischgitters, zur Verwendung als erstes Gitter in einem oben genannten Brennelement,

FIG 5 eine zweite Ausführungsform eines Entmischgitters und FIG 6 eine dritte Ausführungsform eines Mischgitters.

Gleiche Elemente tragen in den Figuren jeweils gleiche Bezugszeichen.

Figur 1 ist eine Ausführungsform eines Brennelements 1 zu entnehmen, das für den Einsatz in einem Druckwasserreaktor vorgesehen ist. Das Brennelement 1 weist praktisch parallel zu einer Brennelement-Achse 3 in einem Bündel angeordnete mehrere Brennstäbe auf. Ein Brennstab 5 durchsetzt dabei ein erstes Gitter 7 und ein zweites Gitter 9. Außerdem durchsetzt ein Brennstab 5 ein unterstes Gitter 11 und ein oberstes Gitter 13. Ein Brennstab 5 durchsetzt dabei eine Masche jedes Gitters 7, 9, 11, 13 und ist in dieser Masche gehalten. Die Gitter 7, 9, 11, 13 sind praktisch parallel zu einem Querschnitt angeordnet, welcher senkrecht zur Achse 3 des Brennelements 1 steht. Außerdem schließt ein Fußteil 15 und ein Kopfteil 17 das Brennelement ab. Bei einem Einsatz in einem Druckwasser-Reaktor wird das Brennelement 1 von einer Kühlmittelströmung 19 von unten angeströmt. Dabei strömt ein Großteil des Kühlmittels 19 durch Strömungsunterkanäle 21, welche im wesentlichen durch vier benachbarte und rechteckig zueinander angeordnete Brennstäbe gebildet werden.

Im unteren teil 23 des Brennelements 1 ist das erste Gitter als Mischgitter ausgebildet. Das Brennelement 1 weist bei dieser Ausführungsform vier als Mischgitter ausgebildete Gitter 7 auf, es kann jedoch auch vorteilhaft sein, nur drei ab Mischgitter ausgebildete erste Gitter 7 entlang der Achse 3 des Brennelements 1 anzuordnen. Dementsprechend weist ein

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Brennelement 1 der oben beschriebenen Art, insbesondere in seinem oberen Teil 25 zweite Gitter 9 auf, die als Entmischgitter wirken. Bei der hier gezeigten Ausführungsform weist das Brennelement 1 drei als Entmischgitter ausgebildete zweite Gitter 9 auf, es kann aber auch vorteilhaft sein vier Entmischgitter zu verwenden, insbesondere falls nur drei Mischgitter entlang der Achse 3 angeordnet sind. D.h. im mittleren Teil 27 zwischen dem unteren Teil 23 und dem oberen Teil 25 eines Brennelements 1 - ist bei dieser Ausführungsform ein als Mischgitter ausgebildetes erstes Gitter 7 angeordnet, es könnte aber auch ein als Entmischgitter ausgebildetes zweites Gitter 9 angeordnet sein, wenn es für die Verhältnisse in einem Druckwasser-Reaktorkern günstig ist. Ein unterstes Gitter 11 und ein oberstes Gitter 13 sind je nach Erfordernis im Reaktorkern besonders ausgebildet; hier könnte aber auch ein Mischgitter 7 (erstes Gitter) oder ein Entmischgitter 9 (zweites Gitter) angeordnet sein.

Figur 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines ersten Gitters 7 als Mischgitter 7A bei einem oben genannten Brennelement 1 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform 7A sind die Strömungsleitelemente, d.h. Mischungselemente, als eine Fahne 29 ausgebildet, die an einer dem Kühlmittel abgewandten oberen Seite 31 des Abstandhalters derart angebracht ist, daß das Gitter 7A Mischeigenschaften aufweist. Die Brennstäbe 5A, 5B, 5C, 5D durchsetzen dabei jeweils eine Masche 4 des Mischgitters 7A, das auch als gitterförmiger Abstandshalter wirkt, wobei die Masche jeweils zwei Längsstegen 10 und dazu senkrechten, die Längsstege durchsetzenden Querstegen 12 gebildet ist. Dazwischen entsteht jeweils ein Strömungsunterkanal 21, der in diesem Fall jeweils zwei Fahnen 29 enthält, die als überstehende Laschen in Richtung einer translatorischen Bewegungskomponente 33 abgebogen sind. Die translatorische Bewegungskomponente 33 wird der Kühlmittelströmung 19 (Fig.l) aufgeprägt. Diese translatorische Bewegungskomponente 33 führt von einem Strömungskanal 21A in einen benachbarten

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Strömungskanal 21B. Die Brennelementachse 3 steht dabei senkrecht auf dem Querschnitt 43 des Brennelements 1.

Figur 3 ist eine mögliche Ausführungsform eines zweiten Gitters 9 zur Anordnung im oben genannten Brennelement 1 zu entnehmen, welches al·s Entmischgitter 9A wirkt. Bei dem Entmischgitter 9A sind ebenfalls Strömungsl·eitel·emente vorgesehen, die ais Fahnen 37 ausgebiidet und an der oberen, der Kühlmittelströmung abgewandten Kante 39 des Entmischgitters 9A angebracht sind. Dabei ist eine Fahne 37 so gegen das von unten anströmende Kühlmittel geneigt, daß dem Kühlmittel eine Bewegungskomponente 41 quer zur Brennelement-Achse 3 aufprägbar ist, wobei die Brennelement-Achse 3 senkrecht auf dem Querschnitt 4 3 des Brennelements 1 steht. Die Anordnung der Fahnen 37 zwingt der Strömung Randbedingungen auf, die zu einer überwiegend rotatorischen Bewegungskomponente 41 führen, und die lokal aufgeprägt ist. D.h., der Kühlmittelströmung (Fig.l) ist im wesentlichen innerhalb eines Strömungskanals 45 eine rotatorische Bewegungskomponente 41, also eine Drehbewegung von den Entmischungselementen 37 des als Entmischgitter 9A ausgebildeten zweiten Gitters 9 aufprägbar. Ein Strömungsunterkanal 45 liegt,dabei wieder im wesentlichen zwischen vier rechteckig zueinander und direkt benachbarten Brennstäben 5A, 5B, 5C, 5D. Dabei ist auch dargestellt, daß nicht alle von den Stegen gebildeten Maschen 4 einen Brennstab 5 enthalten, sondern einige Maschen 6 von einem Steuerstab-Führungsrohr 14 durchsetzt sind.

Das Ausführungsbeispiel· des Mischgitters 7A nach Figur 2 als auch das Ausführungsbeispiel des Entmischgitters 9A nach Figur 3 weist neben Mischelementen 29 bei dem Gitter 7A und Entmischelementen 37 bei dem Entmischgitter 9A Stützelemente für einen Brennstab 5 auf. Die Stützeiemente können dabei beispielsweise Noppen 49, 50 und/oder Federn 51, 52 umfassen. 35

Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform eines ersten Gitters 7 zu entnehmen, welches als Mischgitter 7B bei einem Einsatz

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des Brennelements 1 in einem Druckwasserreaktor wirkt. Ein Strömungsleitelement weist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eines Mischgitters 7B die Form eines Strömungsleittunnels 53 auf. Der Strömungsleittunnel 53 ist dabei in einem Steg 55 des Mischitters 7B eingearbeitet. Der Tunnel liegt bei dieser Ausführungsform 7B zwischen einem ersten Stegblech 57 und einem zweiten Stegblech 59, welche im Bereich des Tunnels 53 auseinander gebogen sind. Der Tunnel verläuft im wesentlichen axial zur Brennelement-Achse 3 ist aber im Bereich der dem Kühlmittel abgewandten oberen Seite 61 des Mischgitters 7B so entlang eines Steges 55 gebogen, daß der Kühlmittelströmung 19 (Fig.l) eine translatorische Bewegungskomponente 63A, 63B aufprägbar ist. Die Bewegungskomponente 63A bewirkt dabei eine Umverteilung der Kühlmittelströmung 19 (Fig.l), bei dem Kühlmittel zumindest teilweise aus einem ersten Strömungskanal 45A in einen zweiten Strömungsunterkanal 45B umleitbar ist. Entsprechend leitet die Strömungskomponente 63B Kühlmittel aus dem Strömungsunterkanal 45C in den Strömungskanal 45A. Es erfolgt also eine Durchmischung des Kühlmittels.

Im vorliegenden Fall bewirkt dies auch eine Zirkulation des Kühlmittels um einen Brennstab 5A, 5B, 5C oder 5D herum. Darauf beruht im wesentlichen die Mischwirkung des Gitters 7B.

Als Stützelemente zur Halterung eines Brennstabs 5 dienen Blattfedern 58, die aus den Stegblechen 55 und 57 herausgebogen sind und an denen die Brennstäbe anliegen. Auch bei diesem Mischgitter 7B sind einige Maschen 6A von einem Steuer-Stabführungsrohr 14A durchsetzt.

Das Prinzip eines zweiten Gitters 9, das als Entmischgitter 9B wirkt, wird besonders in Figur 5 deutlich. Zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegungskomponente 70 wird bei dieser Ausführungsform in jedem Strömungsunterkanal 71 zwischen vier einander benachbarten Brennstäben 72, 73, 74, 75 eine propellerartige Anordnung 76 aus vier Fahnen 76A, 76B, 76C, 76D be-

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nutzt, die rotationssymmetrisch um den Schnittpunkt 79 eines Längssteges 77 mit einem Quersteg 7 8 herum angeordnet sind.

Dabei sind bevorzugt die Rotationsrichtungen 8OA, 8OB jeweils in zwei benachbarten Strömungsunterkanälen 81A, 81B entgegengesetzt gerichtet. Es kommt daher praktisch nicht zu einer Strömung, die von einem Unterkanal in einen benachbarten oder anderen führt und eine Zirkulation um einen Brennstab herum bewirken könnte. Eine derartige Zirkulation könnte Zentrifugalkräfte auslösen, die die flüssigen Kühlmittelanteile von den Brennstaboberflächen ableiten würden. Vielmehr führt der von der propellerartigen Anordnung 16 der Flügel 76A, 76B, 76C, 76D erzeugte Drall zu Zentrifugalkräften, durch die gasförmige Kühlmittel-Anteile, die im oberen Bereich 25 des Brennelements 1 bei hohen Leistungen unvermeidlich sind, an den Brennstaboberflächen durch flüssige Anteile ersetzen. Im Zentrum der Unterkanäle 8IA, 81B sammeln sich daher die Dampfbläschen, wobei der Dampf auch teilweise wieder kondensiert .

Auf diese Weise wird die Wärme auf eine effektive Weise von den Brennstäben 72, 73, 74, 75.abgeführt. Allerdings ist diese Anordnung mit einem relativ großen Druckverlust verbunden.

Daher kann es vorteilhaft sein, die Zahl der Entmischungsfahnen zu reduzieren, um ein Optimum zwischen Entmischungseffekt und Druckverlust einzustellen.

Auch das Entmischungsgitter 9A der Figur 3 ist aus dem propellerartigen Anordnungen 76 der Figur 5 dadurch hervorgegangen, daß nur an jeweils einem von zwei sich kreuzenden Stegen, die sich in einem Unterkanal 45 kreuzen, Fahnen vorgesehen sind. Beim anderen der beiden Stege sind solche Fahnen also weggelassen. Auch weitere Ausführungsformen von Entmischgittern können durch Weglassen anderer Fahnen aus den propellerartigen Anordnungen 76 von jeweils vier Fahnen gebildet werden.

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Dagegen kann das als Mischgitter 7C ausgebildete erste Gitter 7 der Figur 6 nicht durch Zufügen von weiteren Fahnen in jeden Unterkanal zu propellerartigen Anordnungen 76 wie in Figur 5 ergänzt werden. Man erkennt in Figur 6 zwischen den Brennstäben 94 bzw. Steuerstabführungsrohren 95 Mischeinrichtungen 90, die als &ldquor;Doppelfahnen" bezeichnet werden können, da sich zu beiden Seiten eines Kreuzungspunktes 96, an dem ein Längssteg 91 einen Quersteg 92 durchsetzt, sich ein Teil der Mischeinrichtung 90 an der Oberkante eines Querstegs 92 erstreckt, jedoch sind beide Teile in die gleiche Richtung gebogen. Dies führt zu besonders ausgeprägten Bewegungskomponenten 93A, 93B, die von einem Strömungsunterkanal (z.B. 97) in den benachbarten Strömungsunterkanal (z.B. 98) führt möglicherweise über mehrere Brennelemente hinweg quer durch den ganzen Reaktorkern.

Die Erfindung ermöglicht also, Druckverlust und Kühlung besonders effektiv an die Bedürfnisse des Reaktors anzupassen, insbesondere bei Brennelementen mit hoher Leistung und hohem Abbrand. Dabei wird im unteren Bereich 23 (Fig.l) hauptsächlich eine Strömung erzeugt, die das Kühlmittel aus verschiedenen Bereichen des Kernquerschnitts (zumindest aus unter- . ·. schiedlichen Strömungsunterkanälen) miteinander vermischt und dieser Mischung wird im oberen, heißeren Bereich 25 (Fig.l) der Brennelemente 1 ein verstärkter Abtransport von Dampfblasen die sich an den Brennstäben bilden, überlagert.

Claims (10)

1. Brennelement (1) für den Einsatz in einem Druckwasserreaktor, mit praktisch parallel zu einer Brennelement-Achse (3) angeordneten Brennstäben (5, 5A, 5B, 5C, 5D) die über einen senkrecht zur Brennelement-Achse (3) liegenden Querschnitt (43) des Brennelements (1) verteilt sind und Maschen (4; 8) von einem ersten Gitter (7, 7A, 7B, 7C) und einem zweiten Gitter (9, 9A, 9B) durchsetzen, wobei das Brennelement (1) von unten entlang seiner Achse (3) mit Kühlmittel (19) durchströmbar ist und nur das erste Gitter (7, 7A, 7B, 7C) Strömungsleitelemente (29; 53) aufweist, durch die zur Durchmischung des Kühlmittels (19) dem Kühlmittel (19) lokal eine translatorische Bewegungskomponente (33; 63A, 63B; 93A, 93B) quer zur Brennelement- Achse (3) aufprägbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter (7, 7A, 7B, 7C) im unteren Teil (23) des Brennelements (1) angeordnet ist und das zweite Gitter (9, 9A, 9B) im oberen Teil (25), und das zweite Gitter (9, 9A, 9B) Entmischungselemente (37; 76) aufweist, durch die dem Kühlmittel (19) lokal eine überwiegend rotatorische Bewegungskomponente (63A, 63B; 80A, 80B) quer zur Brennelement- Achse (3) zur Trennung seiner dampfförmigen von seinen flüssigen Anteilen aufprägbar ist.

2. Brennelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein unteres (11) und ein oberes Gitter (13) vorgesehen sind.

3. Brennelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einander benachbarte Brennstäbe (5A, 5B, 5C, 5D; 72, 73, 74, 75) einen Strömungsunterkanal (45; 81A, 81B) bilden, in welchem dem Kühlmittel (19) im wesentlichen innerhalb des Strömungsunterkanals (45; 81A, 81B) eine Drehbewegung (41; 80A, 80B) von den Entmischungselementen (37; 76) des zweiten Gitters (9, 9A, 9B) aufprägbar ist.

4. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einander benachbarte Brennstäbe (5A, 5B, 5C, 5D; 94) Strömungsunterkanäle (21, 21A, 21B; 45A, 45B, 45C; 97, 98) bilden, und Kühlmittel (19) zumindest teilweise aus einem ersten (21A; 45A, 45C; 98) in einen zweiten Strömungsunterkanal (45, 45B, 45A) von den Strömungsleitelementen des ersten Gitters (7, 7A, 7B, 7C) umleitbar ist.

5. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter (7, 7A, 7C) und das zweite Gitter (9, 9A, 9B) Stützelemente (49; 50, 51, 52, 58) für einen Brennstab (5) aufweisen.

6. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter (7, 7A, 7C) Strömungsleitelemente (29) aufweist, die jeweils als Fahne (29; 90) am Gitter (7, 7A, 7C) gehalten sind.

7. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter (7, 7B) Strömungsleitelemente (53) aufweist, die jeweils in Form eines Strömungsleittunnels (53) in einem Steg (55) des Gitters (7, 7B) eingearbeitet sind.

8. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gitter (9, 9A, 9B) Entmischungselemente (37; 76) aufweist, die jeweils als Fahne (37; 76A, 76B, 76C, 76D) ausgebildet sind.

9. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem zweiten Gitter (9, 9A, 9B) drei oder vier erste Gitter (7, 7A, 7B, 7C) angeordnet sind.

10. Brennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über dem ersten Gitter (7, 7A, 7B, 7C) drei oder vier zweite Gitter (9, 9A, 9B) angeordnet sind.