Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7248
Auslegung eines Brennelements für einen Leichtwasserreaktor
mit überkritischen Dampfzuständen
J. Hofmeister
Zusammenfassung
Das Konzept des
europäischen Leichtwasserreaktors mit überkritischem Wasser (HPLWR – High
Performance Light Water Reactor) zeigt gegenüber einem aktuellen Leichtwasserreaktor
grundsätzliche Unterschiede. So herrscht im Reaktor ein Systemdruck von ca. 25 MPa
und das Kühlmedium wird von 280 °C um mehr als 220 °C aufgeheizt. Auf diese Weise
erreicht es eine Austrittstemperatur von mehr als 500 °C und das Kraftwerk
damit einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 44 %. Das Kühlmedium verlässt den
Kern aufgrund seines überkritischen Zustandes einphasig. Wasserabscheider,
Dampftrockner oder Systeme für die Rezirkulation des Kühlmediums, wie bei
laufenden Siedewasserreaktoranlagen üblich, sind somit nicht mehr notwendig.
Des Weiteren wird der HPLWR wie ein Siedewasserreaktor nur mit einem
Kühlkreislauf und einem Flusswasser- oder Kühlturmkreislauf betrieben, so dass
auch auf Dampferzeuger, Druckhalter und Primärkreispumpen, wie sie in
Druckwasserreaktoren gängig sind, verzichtet werden kann. Die Motivation, ein
neuartiges Brennelement für den Leichtwasserreaktor mit überkritischen
Dampfzuständen zu entwickeln, liegt in den außergewöhnlichen Betriebszuständen
des Reaktors. Beispielsweise variiert die Dichte im Kern bis zu einem Faktor
sieben. Aufgrund der sehr niedrigen Dichte des Kühlmediums im oberen Bereich
der Brennelemente wäre beispielsweise die Moderation der Neutronen mit einem
konventionellen Brennelement nicht mehr ausreichend.
Die Auslegung eines Brennelements mit
Kopfstück, Fußstück und Abstandshalter für einen Leichtwasserreaktor mit
überkritischen Dampfzuständen wurde durchgeführt. Dabei wurde aufbauend auf den
Vorüberlegungen in den Bereichen Neutronik und Thermohydraulik erstmals ein
konkreter Entwurf für ein Brennelement und die dazugehörige Strömungsführung im
Kern des HPLWR konzipiert. Zunächst wurde anhand einer Festigkeitsanalyse eine
Durchbiegung von maximal 0,2 mm der Wände des Kastens eines
Referenzbrennelements berechnet. Mit Hilfe dieser Durchbiegung und den
geometrischen Abmessungen des Referenzbrennelements wurden anschließend die
Wandstärken verschiedener Konzepte von quadratischen und hexagonalen
Brennelementtypen mit jeweils einer oder zwei Brennstoffreihen bestimmt. Eine
systematische Analyse hat gezeigt, dass ein quadratisches, zweireihiges
Brennelement mit einem zentralen Wasserkasten den anderen untersuchten
Konzepten überlegen ist. Um auf bewährte Technologien bestehender Anlagen
zurückgreifen zu können, wurden neun dieser Brennelemente in einem 3x3-Brennelementbündel
quadratisch angeordnet, so dass die Außenlänge des quadratischen Bündels den
typischen Brennelementabmessungen von Druck- und Siedewasserreaktoren ähnelt.
Für dieses Brennelementbündel wurden ein geeignetes Steuerstabkonzept, ein
Kopfstück, ein Fußstück, ein Dampfplenum und das untere Plenum mit
Kerntrageplatte und Lochplatte entwickelt. Des Weiteren wurde mittels einer
Strömungsanalyse des unteren Plenums und des Fußstücks gezeigt, dass die annähernd
homogene Kühlmitteltemperatur am Brennelementeintritt die Anforderungen erfüllt.
Design of a fuel assembly for a reactor with supercritical
water
Abstract
The European light water reactor concept, denoted as High
Performance Light Water Reactor (HPLWR), differs from current light water
reactors in a higher system pressure (about 25 MPa), a higher heat-up of the
coolant (more than 200 °C) within the core and higher outlet temperatures of
the coolant (over 500 °C) achieving a thermal efficiency of up to 44 %. Due to
supercritical conditions, a phase change does not occur during heat-up of the
coolant within the fuel assemblies of the HPLWR core. Therefore, common
features in boiling water reactors like recirculation pumps, steam separators
and dryers are not necessary, but the HPLWR can still be operated in a
once-through cycle. Additionally, steam generators, pressurizers and primary
loop pumps, which are used in pressurized water reactors, are not required
either. The idea to develop a novel fuel assembly for the light water reactor
with supercritical steam conditions is caused by the extreme operating conditions
of this reactor as, for example, the high variation of coolant density in the
core by more than a factor of seven. Due to the low density of the coolant at
the upper part of the fuel assemblies, moderation would not be sufficient there
using a current fuel assembly design.
A design of a fuel assembly with head piece, foot piece and grid spacers
for a light water reactor with supercritical steam conditions has been carried
out. Using preliminary neutronic and thermal-hydraulic investigations, a concrete
design of a fuel assembly of the HPLWR, including inlet and outlet plenum, has
been conceived for the first time. Initially, a maximum deflection of the box
of a reference fuel assembly has been predicted by a mechanical analysis
resulting in a deflection of 0.2 mm. With this deflection, using dimensions of
the reference fuel assembly, the box wall thickness of square and hexagonal
fuel assembly designs with one or two rows of fuel pins could be determined. A
systematic analysis showed that the square fuel assembly with two rows of fuel
pins and a central water box was better than other considered fuel assembly
designs. Nine of these square fuel assemblies have been arranged in a square
3x3 cluster, to use existing technologies of current pressurized and boiling
water reactors due to the similar size. Moreover, a concept for the control
rods, the head piece, the foot piece, the steam plenum and the lower plenum
with lower core plate and orifices has been developed for this fuel assembly cluster.
Finally, a turbulent mixing analysis within the lower plenum and the foot piece
confirmed an almost homogenous coolant temperature distribution at the fuel
assembly inlet satisfying the design requirements.
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