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Dokumentenidentifikation DE102005008848B4 22.03.2007
Titel Brennelement und Brennelementbündel für einen Kernreaktor mit überkritischem Wasser
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Schulenberg, Thomas, Prof. Dr., 75045 Walzbachtal, DE;
Hofmeister, Jan, 76437 Rastatt, DE
DE-Anmeldedatum 26.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005008848
Offenlegungstag 31.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2007
IPC-Hauptklasse G21C 3/06(2006.01)A, F, I, 20061010, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G21C 3/30(2006.01)A, L, I, 20061010, B, H, DE   G21C 3/322(2006.01)A, L, I, 20061010, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Brennelement gemäß Anspruch 1 und ein daraus gefertigtes Brennelementbündel gemäß Anspruch 2.

Das gegenwärtig favorisierte Konzept eines europäischen Leichtwasserreaktors mit überkritischem Wasser zeigt gegenüber den zur Zeit betriebenen Leichtwasserreaktoren einige wesentliche Unterschiede. Der wichtigste Unterschied beruht darin, dass in diesem Konzept das Kühlmedium Wasser im gesamten Reaktorkern einphasig überkritisch ist, sich somit auf einer Temperatur oberhalb von 374°C und einem Druck von mehr als 22,1 MPa befindet.

Ein mit überkritischem Kühlwasser betriebener Druckwasserreaktor arbeitet deshalb auf einem höheren Temperaturniveau, so dass sich wegen der höheren Kühlwasseraustrittstemperatur eine günstigere Leistungsbilanz ergibt. Die Energieerzeugungskosten sind geringer als bei herkömmlichen Druckwasserreaktoren; allerdings müssen die Brennelemente und die Brennelementbündel anders ausgelegt werden.

In der GB 10 26 845 A ist ein Brennelement beschrieben, das aus einem Brennelementkasten mit Außen- und Innenwänden besteht. Diese bilden einen geschlossenen Ringraum zur Aufnahme einer inneren, parallel zur Innenwand verlaufenden und einer äußeren, parallel zur Außenwand verlaufenden Brennstabreihe. Die Entgegenhaltung betrifft einen konventionellen Kernreaktor, vorzugsweise einen Druckwasserreaktor. Die Auslegung konventioneller Druck- oder Siedewasserreaktoren folgt völlig anderen Regeln als die Auslegung eines künftigen Kernreaktors mit überkritischem Wasser sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel.

In der Veröffentlichung von X. Cheng, T. Schulenberg, D. Bittermann und P. Rau: „Design Analysis of core assemblies for supercritical pressure conditions" in Nuclear Engineering and Design 223 (2003) 279-294 werden die bisherigen Entwicklungen zu Leichtwasserreaktoren mit überkritischem Wasser referiert. Bezüglich der Brennstabkonfiguration werden bei Cheng et al frühere Veröffentlichungen von Dobashi et al, Yamaji et al, Oka et al und Bittermann zitiert, in denen eine quadratische und eine hexagonale Gitterstruktur der Brennstäbe beschrieben werden. Bei der quadratischen Gitterstruktur sind die Brennstäbe in linearen Zeilen und Reihen angeordnet. Die Zeilen und Reihen bestehen aus einer einreihigen Abfolge der Brennstäbe. Zwischen den einzelnen Zeilen und Reihen innerhalb des aus den Brennstäben gebildeten Gitters befinden sich in matrixartiger Anordnung Moderatorröhren, die von Wasser durchströmt werden. Die Moderatorröhren sind im Querschnitt quadratisch. Ähnliche, jedoch im Querschnitt hexagonale Moderatorröhren sind in der hexagonalen Anordnung vorhanden. Die hexagonalen Moderatorröhren sind in der Weise in das Brennelementbündel integriert, dass zwei benachbarte Moderatorröhren in einem Abstand von einem Brennelement zueinander stehen.

Bei der Auslegung von Brennelementen für Reaktoren mit überkritischem Wasser müssen mehrere, einander zum Teil widersprechende Anforderungen eingehalten werden. Das technische Problem besteht in der konstruktiven Realisierung eines nach oben strömenden Kühlmediums und gleichzeitig eines nach unten strömenden Moderators innerhalb des Brennelements. Das Brennelement soll so wenig Strukturmaterial wie möglich enthalten, damit die Neutronenabsorption des Strukturmaterials minimiert werden kann. Außerdem soll das Brennelement ein optimales Verhältnis von Moderator zu Brennstoff besitzen und eine gleichmäßige Aufheizung des Kühlwassers gewährleisten.

Die aus der Literatur bekannte Auslegung der Brennelemente scheint verbesserungsfähig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Brennelement und ein daraus gefertigtes Brennelementbündel vorzuschlagen, das die genannten Anforderungen besser erfüllt.

Die Lösung der Aufgabe ist im ersten und zweiten Patentanspruch beschrieben. Die weiteren Ansprüche enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Brennelementbündels gemäß Anspruch 2.

Erfindungsgemäß werden Brennelemente für einen Reaktor mit überkritischem Wasser vorgeschlagen, in denen die Brennstäbe zweireihig angeordnet sind. Die Brennstäbe sind von einem Brennelementkasten umgeben, der die Brennstäbe auf ihrer gesamten Länge umschließt und der im Querschnitt eine ringförmig geschlossene Struktur aufweist. Die ringförmig geschlossene Struktur kann im Querschnitt quadratisch oder hexagonal sein. Der Brennelementkasten enthält in beiden Fällen einen im Querschnitt entweder quadratischen oder hexagonalen, parallel zu den Brennstäben verlaufenden Hohlraum, in dem der Moderator von oben nach unten strömt. Dieser Hohlraum, der als Wasserkasten bezeichnet wird, dient zugleich der Aufnahme der Steuerstäbe.

Jedes einzelne Brennelement soll zwischen 30 und 50 einzelne Brennstäbe aufweisen. Für Brennelemente mit quadratischem Querschnitt kann die Zahl der Brennstäbe beispielsweise 40 und für Brennelemente mit hexagonalem Querschnitt beispielsweise 30 betragen.

Bevorzugt werden Brennelemente mit quadratischem Querschnitt. Solche Brennelemente lassen sich zu einem Brennelementbündel zusammenfassen, das im Hinblick auf die Führung und Antriebe der einzelnen Kontrollstäbe Vorteile aufweist. In dem solchen Brennelementbündel sind die einzelnen Brennelemente matrixartig in Zeilen und Reihen angeordnet. Eine quadratische Anordnung wird einem im Querschnitt rechteckigen Brennelementbündel vorgezogen. Besonders bevorzugt wird ein Brennelementbündel, das in symmetrischer Anordnung neun Brennelemente in drei Zeilen und drei Reihen aufweist.

Die hexagonalen Brennelemente haben zwar ein besseres Strukturmaterial- zu Brennstoff – Verhältnis als quadratische Bennelemente, da wegen kürzerer Seitenlängen kleinere Wandstärken im Vergleich zu den quadratischen Brennelementen möglich sind. Allerdings lassen sich quadratische Brennelemente besser zu einem Bündel zusammenfassen und verfügen über eine gleichmäßigere Aufheizung. Beide vorgeschlagenen Brennelemente sind klein, so dass sie weniger Strukturmaterial benötigen als größere Brennelemente. Ein besonderes Merkmal der vorgeschlagenen Brennelemente ist die zweireihige Anordnung der Brennstäbe. Solche Brennelemente kommen dem Verhältnis Moderator zu Brennstoff eines Druckwasserreaktors deutlich näher als einreihige Brennelemente, die selbst ohne Spalt zwischen den Brennelementkästen im Vergleich zum Druckwasserreaktor übermoderiert sind. Es zeigt sich in rechnerischen Simulationen, dass die vorgeschlagenen im Vergleich zu den bekannten Brennelementen den besten Kompromiss zwischen den eingangs genannten Paramete bieten.

Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Brennelements ist, dass es sich auch für den Einsatz in einem herkömmlichen Siedewasserreaktor eignet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.

1 zeigt das Konzept des Druckbehälters eines Reaktors mit überkritischem Wasser;

In 2 sind die beiden beschriebenen Konfigurationen der Brennelemente dargestellt;

3 zeigt ein 3x3-Brennelementbündel mit Teilen des Kopfstückes und

4 gibt das Kopf- und das Fußstück wieder.

In 1 ist das Konzept des Druckbehälters eines Reaktors mit überkritischem Wasser dargestellt. Dieses Konzept wurde von Squarer et al in: „High Performance Light Water Reactor", Nuclear Engineering and Design 221 (2003) 167-180 vorgestellt. Innerhalb des Druckbehälters 1 befindet sich der Kern 2, der in das obere Plenum 3, das Dampfplenum 9 und das untere Plenum 5 unterteilt ist. Speisewasser strömt durch den Einlass 6 in den Druckbehälter. Ein Teil des Speisewassers wird im Ringraum zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Kern 2 zum oberen Plenum 3 geleitet und strömt dann als Moderator durch die Wasserkästen 7 in den Brennelementen nach unten. Der andere Teil strömt über den Ringraum zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Kern 2 in das untere Plenum 5, vermischt sich dort mit dem von oben kommenden Moderatorwasser und durchströmt anschließend den Kern 2 als Kühlmittel von unten nach oben. Im Dampfplenum 4 wird es in überkritischer Phase gesammelt und verlässt danach den Druckbehälter durch den Frischdampfauslass 8.

2 zeigt zwei Ausführungsformen der Brennelemente für den Typ des beschriebenen Reaktors. In einem Brennelementkasten 10 sind die Brennstäbe 11 zweireihig in Form eines geschlossenen Rings angeordnet. Die Querschnitte der Brennelementkästen und der Brennstabanordnung sind quadratisch (linker Teil der Figur) oder hexagonal (rechter Teil der Figur). Der Brennelementkasten 10 umschließt einen Hohlraum 12, der den Wasserkasten darstellt. Der Wasserkasten nimmt die Steuerstäbe und das Moderatorwasser auf. Zwischen den Brennstäben im Brennelementkasten strömt das Kühlwasser nach oben.

In 3 ist ein Brennelementbündel bestehend aus 9 matrixartig angeordneten, quadratischen. Brennelementen mit einem Teil des Kopfstückes dargestellt. Jedes einzelne Brennelement 20 enthält die Brennstäbe 21 in der Anordnung, die in 2 links dargestellt ist. Die Wasserkästen sind teilweise gebogen (Bezugszeichen 22) und teilweise gerade (Bezugszeichen 23). Die geraden Wasserkästen können Steuerstäbe enthalten.

4 zeigt links das Kopfstück A und rechts das Fußstück B des in 3 dargestellten Brennelementbündels. Aufgabe des Kopfstücks A ist, den heißen Dampf, der aus den Brennelementen 30 oben austritt, in das Dampfplenum 4 zu leiten und gleichzeitig das herunter strömende Moderatorwasser ohne Leckage in das Dampfplenum 4 in die Wasserkästen 34 zu leiten. Dazu besteht das Kopfstück A aus einer Platte 31a, aus einem Übergangselement 32, einem Fensterelement 33 und einer Buchse 35. Die Platte 31a wird mit den Brennelementkästen 10 verschweißt. Das mit der Platte 31a verbundene Übergangselement 32 ermöglicht den Übergang der quadratischen Brennelementbündelgeometrie zur runden Geometrie des Fensterelements 33, das mit dem Übergangselement 32 verbunden ist. Der heiße Dampf strömt durch das Fensterelement 33 horizontal in das Dampfplenum 4 aus. Das Fensterelement 33 ist an seiner Oberseite geschlossen bis auf Durchführungen für die Wasserkästen 34. Auf das Fensterelement wird eine Buchse 35 montiert, um das gesamte Brennelementbündel anheben zu können. Um zu verhindern, dass kaltes Moderatorwasser in das Dampfplenum 4 eindringt, haben das Fensterelement und das Übergangselement an ihrer Oberseite je einen Dichtring

Im Fußstück B sind die Brennelemente 30 ebenfalls mit einer Platte 31b verbunden. Das Fußstück endet in einem Diffusor 36.


Anspruch[de]
Brennelement eines Kernreaktors mit überkritischem Wasser als Kühlwasser und Moderator mit den Merkmalen:

– parallel ausgerichtete Brennstäbe (11) sind von einem Brennelementkasten (10) umschlossen;

– der Brennelementkasten (10) weist Außenwände und Innenwände auf;

– die Außenwände und Innenwände verlaufen parallel zueinander, so das sie einen im Querschnitt ringförmig geschlossenen Innenraum bilden;

– im Innenraum sind die Brennstäbe in zwei Reihen angeordnet, von denen eine innere Reihe an und parallel zu den Innenwänden und eine äußere Reihe an und parallel zu den Außenwänden verläuft, wobei

– der ringförmig geschlossene Innenraum einen im Querschnitt quadratischen oder hexagonalen Rahmen darstellt.
Brennelementbündel bestehend aus einer matrixartigen, Zeilen und Spalten aufweisenden Anordnung von Brennelementen gemäß Anspruch 1. Brennelementbündel nach Anspruch 2 mit neun Brennelementen, die in drei Zeilen und drei Spalten angeordnet sind.






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