DE68921027T2 - Verstärkung des Siedewasserreaktor-Brennelementkastens auf der Höhe der unteren Halteplatte. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffbündel von Siedewasser-Kernreaktoren und insbesondere auf eine verbesserte Verbindungsfläche zwischen der unteren Ankerplatte und dem Brennstoffbündelkanal.
• Siedewasser-Kernreaktoren erzeugen Dampf in ihrem Kern. Dieser Kern ist aus einer Anordnung von Seite-an-Seite vertikal aufrechtstehender Brennstoffbündeln mit quadratischem Querschnitt aufgebaut. Diese Brennstoffbündel unterteilen den Kernbereich des Reaktors in den sogenannten Kernbypassbereich, außerhalb der Brennstoffbündel, und den Kernbereich innerhalb der Brennstoffbündel. Der Strömungsbereich innerhalb der Brennstoffbündel befindet sich auf einem hörheren Druck als der Bypassbereich. Typisch wird Wasser zwangsweise durch Pumpen durch die Brennstoffbündel umgewälzt.
• Der Strömungsbereich außerhalb der Brennstoffbündel ist der Kernbypassbereich. Dieser Bereich enthält nicht-siedendes Wasser und wird dafür verwendet, für ein erhöhtes Vorhandensein von Wasser für die Moderation von Hochgeschwindigkeitsneutronen zu Niedergeschwindigkeitsneutronen zu sorgen, so daß sich die Kettenreaktion in dem Siedewasserreaktor fortsetzen kann.
• Damit diese Erfindung vollständig verstanden werden kann, muß die Konstruktion von einem typischen Brennstoffbündel verstanden werden. Anschließend wird die Arbeitsweise eines derartigen Brennstoffbündels während eines normalen Online- Betriebs des Reaktors erläutert. Das Problem des Kriechens und die durch Druck hervorgerufene Auslenkung des Kanalstücks in der Nähe der unteren Ankerplatte wird angegeben. Es ist dieses Auslenkungsproblem, auf das diese Erfindung gerichtet ist.
• Dann wird das Problem des Rückflutens des Kerns während eines Kühlmittelverlust-Unfalles erörtert. Die Beteiligung der unteren Ankerplatte bei diesem Rückfluten wird erläutert.
• Die Brennstoffbündelkonstruktion kann in einer vereinfachten Form zusammengefaßt werden, die für das Verständnis dieser Erfindung ausreicht.
• Ein Brennstoffbündel besteht aus einer Gruppe von Brennstoffstäben zwischen einer unteren Ankerplatte und einer oberen Ankerplatte. Die obere Ankerplatte und die untere Ankerplatte und die Gruppe von Brennstoffstäben, die sich dazwischen erstrecken, sind mit einem Polygon-Querschnitt versehen, wobei dieser Querschnitt vorzugsweise quadratisch ist. Dieser Querschnitt ist von einem für Wasser undurchlässigen Kanalstück umgeben, das eine wasserdichte Begrenzung von der unteren Ankerplatte zur oberen Ankerplatte bildet.
• Die untere Ankerplatte besteht aus einer Platte, die die unteren Enden der Brennstoffstäbe haltert, und einer integralen rohrförmigen Struktur, die die Strömung von unterhalb der unteren Ankerplatte zum Boden der unteren Ankerplatte kanalisiert. Die Platte hat Öffnungen zwischen den Brennstoffstäben, und eine Strömung tritt durch diese Öffnungen und in das Brennstoffbündel ein.
• Die untere Ankerplatte hat vier Zwecke.
• Erstens haltert sie die schweren Brennstoffstäbe.
• Zweitens bildet sie eine mechanische Verbindung zwischen der oberen Ankerplatte und der unteren Ankerplatte durch eine Gewindeverbindung zwischen einigen der Brennstoffstäbe.
• Drittens gestattet die untere Ankerplatte eine Wassereinströmung von unterhalb des Brennstoffbündels in das Innere des Brennstoffbündels.
• Schließlich begrenzt die untere Ankerplatte in Zusammenarbeit mit dem Kanalstück des Brennstoffbündels eine Leckströmung von dem Inneren des Brennstoffbündels zu dem Bypassbereich. Diese Erfindung schafft eine verbesserte Struktur zum Begrenzen der Leckströmung.
• Es gibt zwei Wege der Wasserströmung durch die untere Ankerplatte.
• Der erste Strömungsweg erfolgt durch Öffnungen zwischen den Brennstoffstabplätzen, die gestatten, daß Wasser sowohl zur Neutronenmoderation als auch zur Dampferzeugung verwendet wird, um unter Druck nach oben durch das Brennstoffbündel zu strömen. Diese Strömung tritt in der Form von reinem Wasser ein und kommt von der unteren Ankerplatte. Innerhalb des Brennstoffbündels wird Dampf erzeugt und strömt durch die obere Ankerplatte in der Form eines Dampf/Wasser-Gemisches heraus.
• Der zweite Strömungsweg verläuft von der größeren Öffnung in der Ankerplatte durch die Seite der Ankerplatte zu dem sogenannten Kernbypassbereich. Diese Strömung tritt durch kleine Meßöffnungen auf, von denen einige in der Seite der unteren Ankerplatte ausgebildet sind. Während des normalen Betriebs versorgen diese Öffnungen den Kernbypassbereich mit unter kleinem Druck stehenden Wasser. Während eines Kühlmittelverlust-Unfalles gestatten diese gleichen Öffnungen in der unteren Ankerplatte ein sogenanntes "Rückfluten" des Innenraums der Brennstoffbündel von dem Kernbypassbereich.
• Nachdem mit allgemeinen Worten die Konstruktion des Brennstoffbündels und dessen Relation zu dem Kern erörtert worden ist, kann die Funktion des Brennstoffbündels während des normalen Betriebs erläutert werden.
• Das Problem des Druckes, der auf das Kanalstück der unteren Ankerplatte wirkt, kann verstanden werden.
• Während des normalen Betriebs wird Wasser in einer Zwangsumwälzung von dem Reaktor eingeführt und tatsächlich durch die untere Ankerplatte des Brennstoffbündels gepumpt. Wasser um die Brennstoffstäbe herum ist entlang eines Pfades durch den Brennstoffkanal eingeschlossen. Ein Wasser/Dampf- Gemisch tritt am Oberteil des Brennstoffbündels aus. Nach dem Austritt am Oberteil des Brennstoffbündels strömt das Wasser/Dampf-Gemisch weiter zu Dampfabscheidern, wobei Wasser rezirkuliert und der Dampf für eine Energieerzeugung abgetrennt wird.
• Der Kernbypassbereich hat ebenfalls eine Strömung. Diese Strömung erfolgt unter anderen Orten durch die gemeinsamen Öffnungen in den Seiten der unteren Ankerplatten von allen Brennstoffbündeln. Wasser wird dem Kernbypassbereich bei einem verminderten Druck zugemessen. Somit besteht eine wesentliche Druckdifferenz an der unteren Ankerplatte über dem Brennstoffbündelkanal. Die Wirkung dieser Druckdifferenz auf den Brennstoffkanal ist einfach zu verstehen.
• Der hohe Wasserdruck von der Innenseite des Brennstoffbündels wirkt in Richtung auf den kleinen Wasserdruck in dem Kernbypassbereich zur Außenseite des Brennstoffbündels durch die Wand des Brennstoffkanals. Das einen quadratischen Querschnitt aufweisende Kanalstück wird Druckkräften ausgesetzt, die bei Fehlen eines Widerstandes bewirken würden, daß der im Querschnitt quadratische Kanal zylindrisch wird. Als Antwort auf diese Druckdifferenz lenkt sich das Kanalstück von der unteren Ankerplatte weg aus. Während des Reaktorbetriebs wird das Kanalstück einem Neutronenfluß ausgesetzt. Der Neutronenfluß bewirkt in Verbindung mit den Beanspruchungen aufgrund der Druckbelastung, daß das Kanalstück kriecht, so daß sich die Kanalauslenkung mit der Zeit vergrößert.
• Es ist bekannt, ein verstärkendes Band um das Unterteil des Kanalstückes herum an der unteren Ankerplatte anzuordnen, um eine Leckage zu verhindern. Es ist verständlich, daß das Zwischenvolumen zwischen den Brennstoffbündeln das Volumen für das Steuerstabausfahren und die Steuerung der Reaktion definiert. Soweit sich Bänder, die zur Kanalverstärkung verwendet werden, in diesem Bereich erstrecken, ist deren zusätzliche Abmessung nicht gewünscht. Soweit ferner eine derartige Verstärkung die Neutronenabsorptionsmasse des Kanalstückes vergrößert, bewirkt die resultierende Reaktion einen Verlust an Wirkungsgrad.
• Beim Stand der Technik ist die untere Ankerplatte mit Vertiefungen versehen gewesen, die entlang dem Bereich der Überlappung des Kanalstückes verlaufen. Diese Vertiefungen nehmen seitlich nebeneinander angeordnete, durch Federkraft vorgespannte Finger auf. Diese Finger sind von der Ankerplatte nach außen und in Richtung auf das Kanalstück durch Federkraft vorgespannt.
• Diese durch Federkraft vorgespannten Finger nehmen das Zwischenvolumen zwischen dem Kanalstück und der Ankerplatte ein. Wenn sich das Kanalstück von der Ankerplatte weg auslenkt, bewegen sich die Finger in das sich vergrößernde Zwischenvolumen und blockieren eine Fluidströmung. Somit bewirken die Expansion aufgrund von sowohl Druckdifferenz als auch durch Strahlung hervorgerufenes Kriechen keine übermäßige Leckage.
• Unglücklicherweise sind die Federn selbst ein Beitrag zu der unerwünschten Expansion des Kanalstückes an der unteren Ankerplatte, weil die Federn eine Belastung auf das Kanalstück ausüben.
• DE-A-3 440 637 beschreibt ein Brennstoffbündel enthaltend eine untere Ankerplatte, mehrere Brennstoffstäbe, die auf der unteren Ankerplatte gehaltert sind und sich nach oben und in Richtung auf den oberen Abschnitt des Brennstoffbündels erstrecken für die Erzeugung von Dampf in einer hindurchströmenden Dampf- und Wassermischung innerhalb des Brennstoffbündels, eine obere Ankerplatte, die die Brennstoffstäbe in einer Seite-an-Seite Relation hält und eine Schraubverbindung zwischen einer Anzahl von Brennstoffstäben gestattet, wobei sich die Schraubverbindung an der oberen und unteren Ankerplatte befindet und die obere Ankerplatte den Austritt eines Dampf/Wasser-Gemisches aus dem Oberteil des Brennstoffbündels gestattet, und einen Brennstoffbündelkanal, der sich von einer die obere Ankerplatte umgebenden Position zu einer die untere Ankerplatte umgebenden Position erstreckt. Zusätzlich wird ein Metallblechteil oder -segment beschrieben, das durch hydraulische Kräfte in eine eine Wasserleckage blockierende Position gedrückt wird. Ein derartiges Metallblechteil stellt jedoch zusätzliche Komplikationen und Kosten dar.
• DE-A-2 040 416 beschreibt ein Brennstoffbündel mit einem Kanalstück, das gewellt ist, um die Seiten des Kanalstückes zu verstärken; diese Anordnung sorgt jedoch nicht für eine dichtende Funktion.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffbündel enthaltend: eine untere Ankerplatte; mehrere Brennstoffstäbe, die auf der unteren Ankerplatte gehaltert sind und sich nach oben in Richtung auf und bis zu dem oberen Abschnitt des Brennstoffbündels erstrecken für die Erzeugung von Dampf in einer hindurchströmenden Dampf- und Wassermischung innerhalb des Brennstoffbündels; eine obere Ankerplatte, die die Brennstoffstäbe in einer Seite-an-Seite-Relation hält und eine Schraubverbindung zwischen einer Anzahl von Brennstoffstäben gestattet, wobei sich die Schraubverbindung an der oberen und unteren Ankerplatte befindet und die obere Ankerplatte den Austritt einer Dampf-Wasser-Mischung aus dem Oberteil des Brennstoffbündels gestattet; einen Brennstoffbündelkanal, der sich von einer die obere Ankerplatte umgebenden Position zu einer die untere Ankerplatte umgebenden Position erstreckt und Seiten und Ecken aufweist; gekennzeichnet durch entweder: (a) eine Labyrinthdichtung, die in dem Zwischenvolumen zwischen dem oberen Abschnitt der unteren Ankerplatte neben dem Inneren des Kanals und dem Kanal an dem Punkt der Überlappung mit der unteren Ankerplatte angeordnet ist, zur Herbeiführung eines raschen Druckabfalles an den Seiten, wodurch der untere Abschnitt des Kanals nicht durch Druck belastet ist und den darüberliegenden beanspruchten Abschnitt des Kanals verstärkt; oder (b) eine Strömungsöffnung, gefolgt von einem Diffusor, wobei die Strömungsöffnung in Richtung auf das Oberteil der unteren Ankerplatte angeordnet ist und der Diffusor von der Öffnung weg in Richtung auf und bis zu dem Kernbypassbereich an dem unteren Abschnitt der unteren Ankerplatte an den Seiten angeordnet ist, wodurch der Druck an der Öffnung und dem Diffusor unterhalb des Druckes des Kernbypassbereiches ist und der untere Abschnitt des Kanals den oberen, druckbelasteten Abschnitt des Kanals gegen Kanalverformung verstärkt.
• In einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Labyrinthdichtungskonfiguration in der unteren Ankerplatte ausgebildet, die aus intermittierenden Unterbrechungen einer ansonsten konstanten Strömungsfläche zwischen der unteren Ankerplatte und dem Kanalstück besteht. Die Labyrinthdichtung ist in der Weise beschrieben, daß sie entweder in der unteren Ankerplatte oder dem Kanalstück angeordnet ist. In einem zweiten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Venturi-Strömungskonfiguration mit einem Diffusor vorgesehen, so daß ein Druckabfall gemäß dem Bernoulli-Prinzip einen verminderten Druck zwischen der unteren Ankerplatte und dem Kanalstück bewirkt. Dieser verminderte Druck verstärkt den nicht-beanspruchten und unteren Abschnitt des Kanalstückes mit einer (negativen) hydraulischen Kraft, die entgegen der (positiven) Kraft der Auswärtsbiegung des Kanalstückes ausgeübt wird. Die umgekehrten Venturi-Strömungskanäle mit den Diffusoren können an den Ecken des Kanalstückes und neben der unteren Ankerplatte angeordnet sein. Diese umgekehrten Venturi-Strömungskanäle sorgen für eine eingeschränkte zugemessene Strömung während des Reaktorbetriebs von dem Inneren des Brennstoffbündels zu dem äußeren Kernbypassbereich. Zur gleichen Zeit und während eines Kühlmittelverlust-Unfalls wird ein einen niedrigen Druck aufweisender Strömungspfad zum Rückfluten der Brennstoffbündel gebildet.
• Es wird somit eine Neukonfiguration der unteren Ankerplatte an der Ankerplatten-Kanalstückverbindung beschrieben, die das Kanalstück an der unteren Ankerplatte hydraulisch verstärkt.
• Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist eine Labyrinthdichtung an dem Umfang der unteren Ankerplatte angeordnet. Diese Labyrinthdichtung besteht aus intermittierenden horizontalen Taschen, die eine einen ansonsten konstanten Querschnitt aufweisende Strömungsbahn unterbrechen, die zwischen der Ankerplatte auf der einen Seite und dem Kanalstück auf der anderen Seite angeordnet ist. Diese Labyrinthdichtung bewirkt einen Zwischenabfall im Druck des Wassers, das von dem einen relativ hohen Druck aufweisenden Bereich innerhalb des Brennstoffbündels zu dem einen kleinen Druck aufweisenden Bereich in dem Kernbypassbereich außerhalb des Brennstoffbündels zu strömen versucht.
• Ein Vorteil der Labyrinthdichtungs-Konfiguration ist der, daß der unterste Abschnitt des Kanalstückes in einer unbelasteten Konfiguration gelassen wird. In dieser unbelasteten Konfiguration verstärkt sie in geeigneter Weise den darüberliegenden Abschnitt des Kanalstückes, der einer hydraulischen Druckdifferenz ausgesetzt ist. Somit wird der darüberliegende Abschnitt des Kanalstückes, das einem hohen Druck innen von dem Brennstoffbündel und einem niedrigen Druck außen in dem Kernbypassbereich ausgesetzt ist, in der Wirkung verstärkt durch den unteren unbelasteten Abschnitt des Kanalstückes.
• Gemäß dem zweiten und bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist ein Venturi-Strömungsbereich absichtlich in der unteren Ankerplatte neben dem unteren Abschnitt des Brennstoffbündelkanals angeordnet. Dieser Venturi-Kanal enthält einen Diffusor, um eine günstige Druckverteilung über dem unteren Abschnitt des Brennstoffbündelkanals hervorzurufen.
• Ein Vorteil von diesem Aspekt der Erfindung ist der, daß der untere Abschnitt des Brennstoffkanals eine (negative) hydraulische Kraft in bezug auf das Kernbypassvolumen erfährt. Diese negative hydraulische Kraft wirkt zusätzlich zu dem unbelasteten Abschnitt des Brennstoffkanals auf diesen ein, um eine verbesserte Nähe zu der unteren Ankerplatte beizubehalten.
• Ein weiterer Vorteil dieser letztgenannten Konfiguration ist der, daß je größer die Tendenz des Kanalstückes ist, sich von der unteren Ankerplatte weg zu biegen, desto größer die Geschwindigkeit der Strömung durch das Venturi- Stück ist. Je größer die Geschwindigkeit der Strömung durch das Venturi-Stück ist, desto größer sind die hydraulischen Kräfte, die auf den unteren Abschnitt des Brennstoffkanals wirken. Somit behalten die erhöhten hydraulischen Kräfte auf den Brennstoffkanal dessen Nähe zu der unteren Ankerplatte bei. Eine verbesserte Dichtung entsteht unter allen Bedingungen.
• Ein überraschender Effekt folgt der Verstärkung des Kanalstückes durch Fluidströmung. Da die meisten Reaktoren an der unteren Ankerplatte eine kleine Strömungsmenge aus dem Inneren des Kanals an der unteren Ankerplatte zum Äußeren des Kanals in dem Kernbypassbereich erwarten, liefert die erforderliche Leckage für die Kanalverstärkung diese erforderliche Strömung. Diese Maßnahme der erforderlichen Strömung zu dem Kernbypassbereich hat das zusätzliche Ergebnis der hydraulischen Verstärkung, wie es vorstehend erläutert wurde. Ein weiterer Vorteil ist der, daß keine Neukonfiguration des Kanalstückes an der unteren Ankerplatte erforderlich ist. Vielmehr kann durch Neukonfiguration der unteren Ankerplatte allein die Strömung, wie sie in dieser Erfindung erläutert wird, erzielt werden.
• Die untere Ankerplatte kann an der Ecke konfiguriert sein, um einen Durchlaß mit einem Venturi-Abschnitt und einem Diffusor zu bilden, eine Neukonfiguration der unteren Ankerplatte, die ein Brennstoffbündel-Rückfluten von dem Kernbypassbereich im Falle eines Kühlmittelverlust-Unfalles gestattet. Der Diffusor ist so ausgerichtet, daß er für eine Energie-effiziente Wasserströmung in der Richtung des Innenraums des Brennstoffbündels von dem Kernbypassbereich sorgt. Im normalen Betrieb und aufgrund einer Rückwärtsströmung durch den Diffusor tritt nur eine kleine und zugemessene Strömung von dem Inneren des Brennstoffbündels zum Kernbypassbereich auf. Während des Rückflutens wird eine durch einen Venturi-Diffusor unterstützte Strömungsbahn mit geringer Reibung von dem Kernbypassbereich zu dem Inneren des Brennstoffbündels gebildet. Infolgedessen kann ein effizientes Rückfluten auf einfache Weise auftreten.
• Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der beschriebenen Anordnungen werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen:
• Figur 1A eine Ansicht von dem Stand der Technik an der unteren Ankerplatte ist, die die Seite-an-Seite angeordneten Finger darstellt zur Ausbildung der Blockierung der Ankerplatte/Kanalstück-Grenzfläche während des normalen Reaktorbetriebs;
• Figur 1B ein Seitenschnitt von einer bekannten unteren Ankerplatte während des normalen Betriebs ist, die neben dem Schnitt den Fluiddruck darstellt, der auf die Kanalwand von der Innenseite des Kanals in Richtung auf die Außenseite des Kanals wirkt;
• Figur 2 eine Darstellung von einem der Ausführungsbeispiele dieser Erfindung ähnlich Figur 1B ist, die die Verwendung von Labyrinthdichtungen, die in der unteren Ankerplatte angeordnet sind, zur Ausbildung eines verbesserten Widerstandes gegenüber Leckageströmung demonstriert;
• Figur 3 ein Diagramm ähnlich Figur 2 ist und die Konfiguration der Kanalwand zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung darstellt;
• Figuren 4A, 4B und 4C entsprechende Schnitte sind von einer Venturi-Strömungskonfiguration, einem Schnitt von einem Kanal, der die Venturi-Strömungskonfiguration bildet, und schließlich einem Schnitt von einer Ankerplatte, die die Venturi-Strömungskonfiguration bildet; und
• Figuren 5A und 5B eine entsprechende Draufsicht und ein Schnitt an der Ecke des Kanals von jeweils Figur 2, 3, 4A, 4B und 4C sind und einen Rückwärts-Diffusor an der Kanalecke darstellen zur Ausbildung einer verbesserten Strömung beim Rückfluten.
• In Figur 1A ist ein Brennstoffbündel in Relation zu einem Reaktorkern gezeigt.
• Der Kern enthält zwei Strömungsbereiche. Der eine dieser Strömungsbereiche befindet sich innerhalb des Brennstoffbündels, und der verbleibende Bereich befindet sich außerhalb des Brennstoffbündels und in dem Kernbypassbereich B.
• Es kann eine vereinfachte Beschreibung des Brennstoffbündels angegeben werden. Es ist eine untere Ankerplatte L dargestellt. Die Ankerplatte haltert eine Gruppe von Brennstoffstäben R. Einige dieser Stäbe sind bei 16 mit Gewinde versehen. Diese Gewindestäbe erstrecken sich zwischen der unteren Ankerplatte L und der oberen Ankerplatte U. Die Gewindestäbe bilden Verbindungen zwischen den entsprechenden Ankerplatten und halten die übrigen Stäbe in der aufrechten Seite-an-Seite-Relation. Öffnungen in dem Bereich zwischen den Brennstoffstäben gestatten eine Wasserströmung in das Brennstoffbündel.
• Zwischen den zwei Ankerplatten L und U und auf der Außenseite des Brennstoffbündels verläuft ein Kanalstück C. Das Kanalstück C bildet eine Strömungsgrenze zwischen der Innenseite des Brennstoffbündels F und dem Kernbypassbereich B.
• An der Unterseite der unteren Ankerplatte sind Meßöffnungen A angeordnet. Die Druckdifferenz zwischen der Innenseite des Brennstoffbündels und dem Bypassbereich bewirkt eine Wasserströmung durch die Meßöffnungen A in den Bypassbereich B hinein.
• Wie bereits ausgeführt wurde, ist es dieser Druckabfall, der von dem Inneren des Brennstoffbündels F zum Kernbypassbereich B wirksam ist, der bewirkt, daß sich das Kanalstück C, das über der unteren Ankerplatte L liegt, von den Seiten wegbiegt.
• Der Stand der Technik hat unangemessene Strömungsgeschwindigkeiten in den Zwischenräumen zwischen den Seiten der unteren Ankerplatte L und dem Kanalstück C durch die Verwendung von Fingern F verhindert. Die Finger F sind typisch von den Seiten von Vertiefungen 18 in der unteren Ankerplatte weg durch Federkraft vorgespannt. Eine derartige Federvorspannung ermöglicht, daß sich die Finger F in das Volumen zwischen der unteren Ankerplatte L und dem Kanalstück C bewegen, wenn sich das Kanalstück von der unteren Ankerplatte weg auslenkt.
• Unglücklicherweise ist eine derartige Federvorspannung ein zusätzlicher Faktor, der zu der Kanalauslenkung beiträgt.
• In Figur 1B ist ein Schnitt von der unteren Ankerplatte L an dem Kanalstück C dargestellt. Diese Figur zeigt, wie eine Leckageströmung ohne Fingerfedern oder andere Mittel zum Begrenzen einer Leckageströmung auftritt. Genauer gesagt, Wasser tritt unter Druck durch eine Öffnung 14 ein und strömt nach oben durch ein Gitter 20 zur Halterung der einzelnen Brennstoffstäbe R. Nach dem Durchtritt durch das Gitter 20 findet ein gewisser Teil des Wassers seinen Weg in das Zwischenvolumen 22, das zwischen dem unteren Abschnitt des Kanalstückes C und dem darüberliegenden Teil der Kanalankerplatte L gebildet ist. Die Druckwirkung, die auf diesen Abschnitt des Kanalstückes ausgeübt wird, kann in bezug auf das Kühlmitteldruck-Diagramm ersehen werden, das in bezug auf das Kanalstück C aufgetragen ist.
• Wenn man sich daran erinnert, daß ein Druck Pi auf das Innere des Brennstoffbündels F vorhanden ist, ist ersichtlich, daß das Kanalstück C oberhalb der unteren Ankerplatte L unter einer vollen Druckdifferenz zwischen dem Kernbypassbereich B und dem Inneren des Brennstoffbündels F ist. Wasser, das in den Zwischenbereich 22 strömt, verliert graduell seinen Druck bis zum Austritt aus der Unterseite des Kanalstückes bei 25 Infolgedessen fällt der Kühlmitteldruck in ähnlicher Weise graduell über der Länge des Kanalstückes ab, wie es dargestellt ist. Dieser Druck erfährt einen unmittelbaren Abfall am Eingang zum Kanalstück bei 23, bis ein nahezu vollständiger Abfall beim Austritt bei 25 realisiert ist.
• In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dargestellt.
• Es ist die untere Ankerplatte L gezeigt. Die untere Ankerplatte enthält erste und zweite Labyrinth-Dichtungsringe 30, 32. Diese Labyrinth-Dichtungsringe bilden erweiterte Strömungsbereiche 31, 33.
• Funktionen von Labyrinthdichtungen sind allgemein bekannt. Genauer gesagt, bilden die Labyrinthdichtungen erweiterte Volumina, damit eine ineffiziente turbulente Strömung unmittelbar hinter jeder der verengten Öffnungen 30, 32 auftritt. Eine derartige erweiterte und ineffiziente Strömung bewirkt große und schnelle Druckdifferenzen über der Labyrinthdichtung.
• Aus dem Strömungs-Diagramm ist ersichtlich, daß die Labyrinth-Dichtungsmatrix der entsprechenden Dichtungen 30, 32 einen schnellen und vollen Druck zwischen dem Eingang zur Dichtung 29 und dem Bereich unterhalb der Dichtung 38 erzeugt.
• Der Abschnitt 38 des Kanalstückes C, der unter diesem schnellen Druckabfallbereich liegt, hat keine Druckbelastung, die auf ihn wirkt. Derjenige Teil des Kanals, der nicht belastet ist, kann anschließend die darüberliegenden Abschnitte des Kanals verstärken.
• Aus Figur 3 wird für den Leser verständlich, daß es für eine Labyrinthdichtung möglich ist, durch sowohl kooperative Formgebung der unteren Ankerplatte L als auch des Kanalstückes C konfiguriert zu werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Kanalstück C in der Nähe der unteren Ankerplatte L mit Wellungen versehen, wobei diese Wellungen 40 in bezug auf die untere Ankerplatte L auf einanderfolgende verengte Strömungsbereiche 42, 44 bilden, denen erweiterte Strömungsbereiche 43, 45 folgen. Diese entsprechenden Strömungsbereiche bilden eine Labyrinth-Dichtung entlang der Länge des Zwischenvolumens zwischen dem Kanalstück C und der unteren Ankerplatte L.
• In den Figuren 4A, 4B und 4C ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es sind eine untere Ankerplatte L und ein Kanalstück C gezeigt. Der Bereich der Verbesserung ist hier durch ein kreisförmiges Detail 50 gezeigt.
• In Figur 4B ist ein erstes Detail dargestellt. Genauer gesagt, das Kanalstück C bildet gegen die untere Ankerplatte L ein Diffusor-Volumen 54, wobei dieses Diffusor-Volumen 54 eine anfängliche Venturi-Strömung 53 aufweist.
• Bezug nehmend auf das Diagramm, das gegenüber von Figur 4A dargestellt ist, kann die Wirkung davon ersehen werden. Genauer gesagt, überschreitet an der Einströmungsfläche 51 der Druck denjenigen des Kernbypassbereiches P&sub0;. Jedoch besteht zwischen dem Bereich oberhalb der Öffnung 51 und dem Beginn der Öffnung 55 eine große Vergrößerung in der Strömungsgeschwindigkeit und eine entsprechende Verkleinerung im Druck gemäß dem Bernoulli-Theorem. Zwischen dem Beginn der Öffnung 55 und dem Beginn des Diffusors 53 gibt es einen zusätzlichen Druckabfall, der durch Reibungsverluste über der Länge der Öffnung hervorgerufen ist. Anschließend, und aufgrund der Wirkung des Diffusors, nimmt der Druck langsam zu, bis er gleich dem Druck des Kernbypassbereiches bei P&sub0; ist.
• Gemäß diesem Aspekt der Erfindung verstärkt nicht nur der untere unbelastete Abschnitt des Kanalstücks C den darüberliegenden belasteten Abschnitt des Kanalstückes, sondern zusätzlich wirkt ein negativer Druck nach innen in der Nähe des unteren Abschnittes des Kanalstückes C an der Ankerplatte.
• Es ist wichtig zu bemerken, daß dieser negative Druck mit zunehmender Auslenkung zunimmt. Mit anderen Worten, es ist gerade der Effekt der durch Druck hervorgerufenen Auslenkung, die nach dem Zweck dieser Erfindung bekämpft werden soll, der eine vergrößerte Strömung mit zunehmender negativer Druckdifferenz bewirkt.
• Für den Leser wird auch verständlich, daß durch Konfiguration der unteren Ankerplatte bei 60 in Figur 4C der gleiche Effekt erreicht werden kann. Genauer gesagt, wird ein Druckabfall an der Öffnung 53 gebildet. Weiterhin ist ein Diffusor 54 vorhanden. Somit wirken entweder durch die Konfiguration der unteren Ankerplatte L oder der Unterseite des Kanalstückes C die hydraulischen Kräfte auf das Kanalstück C den Biegekräften entgegen, die vorstehend beschrieben wurden.
• Nachdem die Erfindung bisher in bezug auf die Seiten des Kanalstückes neben der unteren Ankerplatte beschrieben worden ist, wird nun auf eine Verbesserung an den Ecken von dem einen polygonförmigen Schnitt aufweisenden (quadratischer Querschnitt) Kanalstück eingegangen.
• Ecken sind eine unvermeidbare Leckagebahn. Aufgrund von Fertigungsüberlegungen wird ein Spalt absichtlich an den Ecken ausgebildet, und es wird eine enge Passung zwischen dem Kanalstück und der unteren Ankerplatte über den Seiten ausgebildet. Aufgrund der Schwierigkeit, enge Toleranzen einzuhalten, gibt es eine Unbestimmtheit in dieser Leckage.
• In Figur 5 ist ein Diffusor 70 gezeigt, der an der Ecke der unteren Ankerplatte L zwischen dem Kanalstück C und der Ankerplatte angeordnet ist. Figur 5A zeigt eine Ansicht von oben auf die eine Ecke der unteren Ankerplatte, und Figur 5B zeigt einen Schnitt durch die Ecke. Dieser Diffusor ist jedoch umgekehrt. Er enthält eine Öffnung 72, die in Richtung auf den Kernbypassbereich D angeordnet ist, und einen Diffusor, der mit dem Inneren des Brennstoffbündels F ausgerichtet ist und in Richtung auf das Innere verläuft.
• Der Zweck dieses umgekehrten Diffusors ist einfach verständlich.
• Zunächst wird auf die Öffnung A in der bekannten Anordnung gemäß Figur 1A Bezug genommen. Danach, und mit einer kurzen Erläuterung, stellt eine Rückkehr zu Figur 5 die auftretenden Prinzipien dar.
• Beim Stand der Technik und für die Zwecke des Rückflutens der Brennstoffbündel F dient die Öffnung A zwei Zwecken. Während des normalen Reaktorbetriebs gestattet die Öffnung A, daß eine kleine und abgemessene Wassermenge von dem Innenraum des Brennstoffbündels F zum Kernbypassbereich B gelangt. Bei einem derartigen Durchtritt trat ein Druckabfall auf, und dieser Druckabfall ermöglichte eine gemessene Strömung unter niedrigem Druck zu dem Kernbypassbereich B.
• Bei einem Kühlmittelverlust-Unfall soll die Öffnung A eine umgekehrte Strömung haben. Bei einer derartigen umgekehrten Strömung ermöglicht sie, daß den Kernbypassbereich B flutendes Wasser innerhalb der Brennstoffbündel F strömt. Bei einem derartigen Durchtritt blieben die Brennstoffstäbe R geflutet und waren den Konsequenzen einer Überhitzung nicht ausgesetzt.
• Anhand von Figur 5B kann nun die Funktion des umgekehrten Diffusors erläutert werden. Während des normalen Betriebs verläuft die Strömung typisch in dem Diffusorabschnitt 73 nach unten zur Öffnung 72. Anschließend passiert die Strömung in einer konstanten zugemessenen Strömung die Länge der Öffnung 74, bis sie an den Kernbypass B abgegeben wird. Eine derartige Strömung kann relativ konstant und abgemessen sein. Somit kann die umgekehrte Diffusor-Konfiguration der Funktion des Zumessens von Wasser von dem Innenraum des Brennstoffbündels F zu dem Kernbypassbereich B dienen.
• Beim Rückfluten strömt das Wasser umgekehrt, wie es durch Pfeile 75 angegeben ist.
• Wie in der Hydraulik-Technik allgemein bekannt ist, tritt durch Ausrichten des Diffusors in bezug auf eine Strömung eine effiziente Strömungsexpansion mit einem beschleunigten Durchtritt auf. Somit tritt mit dem hier beschriebenen, um gekehrten Diffusor ein Rückfluten des Brennstoffbündels F aus dem Kernbypassbereich B mit einem größeren Wirkungsgrad auf.
• Der umgekehrte Diffusor hat eine sehr kleine Wirkung auf die Leckageströmung während des normalen Betriebs. Ein gewisser Teil des Druckabfalls ist Reibung, wenn die Strömung durch den Spalt hindurchtritt, der größte Teil ist der Verlust an Energie, wenn der austretende Strahl seine Energie in dem Bypassbereich verbraucht.
• Während des Rückflutens arbeitet der Diffusor als ein Diffusor. Es besteht ein sehr kleiner Druckverlust, wenn die Strömung aus dem Spalt durch den Diffusor in das Brennstoffbündel austritt. Somit wird die Zeit zum Rückfluten verkürzt. Somit hat die Schaffung derartiger Ecken-Diffusoren eine Verbesserung des Rückflutens zur Folge.

Claims (6)

1. Brennstoffbündel enthaltend:

eine untere Ankerplatte (L),

mehrere Brennstoffstäbe (R), die auf der unteren Ankerplatte gehaltert sind und sich nach oben in Richtung auf und bis zu dem oberen Abschnitt des Brennstoffbündels erstrecken für die Erzeugung von Dampf in einer hindurchströmenden Dampf und Wassermischung innerhalb des Brennstoffbündels,

eine obere Ankerplatte (U), die die Brennststoffstäbe in einer Seite-an-Seite-Relation hält und eine Schraubverbindung zwischen einer Anzahl der Brennstoffstäbe gestattet, wobei sich die Schraubverbindung an der oberen und unteren Ankerplatte befindet und die obere Ankerplatte den Austritt einer Dampf-Wasser-Mischung aus dem Oberteil des Brennstoffbündels gestattet,

einen Brennstoffbündelkanal (C), der sich von einer die obere Ankerplatte umgebenden Position zu einer die untere Ankerplatte umgebenden Position erstreckt, und Seiten und Ecken aufweist,

gekennzeichnet durch entweder:

(a) eine Labyrinthdichtung (30, 32; 40-45), die in dem Zwischenvolumen zwischen dem oberen Abschnitt der unteren Ankerplatte neben dem Inneren des Kanals und dem Kanal an dem Punkt der Überlappung mit der unteren Ankerplatte angeordnet ist zur Herbeiführung eines raschen Druckabfalles an den Seiten, wodurch der untere Abschnitt des Kanals nicht durch Druck belastet ist und den darüberliegenden beanspruchten Abschnitt des Kanals verstärkt, oder

(b) eine Strömungsöffnung (51), gefolgt von einem Diffusor (53), wobei die Strömungsöffnung in Richtung auf das Oberteil der unteren Ankerplatte angeordnet ist und der Diffusor von der Öffnung weg in Richtung auf und bis zu dem Kernbypassbereich an dem unteren Abschnitt der unteren Ankerplatte an den Seiten angeordnet ist,

wobei der Druck an der Öffnung und dem Diffusor unterhalb des Druckes des Kernbypassbereiches ist und der untere Abschnitt des Kanals den oberen, druckbelasteten Abschnitt des Kanals gegen Kanalverformung verstärkt.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, wobei die Labyrinthdichtung (30, 32) in der unteren Ankerplatte angeordnet ist.

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, wobei die Labyrinthdichtung (40-45) in der unteren Ankerplatte und dem Kanal angeordnet ist.

4. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (51) und der Diffusor (53) in der unteren Ankerplatte angeordnet sind (Fig 4c).

5. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, wobei die Öffnung und der Diffusor in dem unteren Abschnitt des Kanals angeordnet sind (Fig. 4b).

6. Brennstoffbündel nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei an der unteren Ankerplatte (L) eine Strömungsöffnung (72) und ein Diffusor (70) an einem Eckabschnitt des Brennstoffbündels zwischen dem Kernbypassbereich und dem Inneren der Brennstoffbündel angeordnet sind.