Auslegung eines Brennelements für einen Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen

Abstract

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.

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.