DK163848B - Braendselsmontage med koelede roerstyr til en kernereaktor - Google Patents

Description

i

DK 163848 B

Den foreliggende opfindelse angår et brændselselement med kølede lederør til en kernereaktor omfattende et bundt af parallelle brændsel s-stænger fastholdt i et stativ omfattende støtteriste til fastholdelse af stængerne i tværretningen, lederør, som erstatter visse af stængerne i 5 bundtet, til at styre cylindriske stænger, som indeholder neutronabsorberende materiale inden for enheden, samt endestykker fastmonteret ved enderne af i det mindste nogle af lederørene, hvor visse af lederørene har en i det væsentlige cylindrisk væg med en inderdiameter, som er markant større end stængernes diameter, og har sæt af styre- og centre-10 ringsoverflader for stængerne ragende indad mod rørenes indre, og hvor hver er frembragt ved indprægning i væggen af det tilsvarende rør.

Sådanne brændselselementer er sammensat af et bundt af brændselsstave, der er parallelle og fastholdt i et skelet eller stativ, som sikrer elementets stivhed. Dette skelet indeholder støtteriste til at fast-15 holde stavene transversalt, og gitrene er fordelt med mellemrum langs elementets længde svarende til stavenes aksiale retning. Skelettet indeholder endvidere lederør, som erstatter visse af brændselsstavene i bundtet, samt endestykker, der er fastgjort til i det mindste visse af lederørene.

20 Lederørene giver mulighed for at styre stænger af neutronabsorberende materiale ind i brændselselementets indre. Visse af lederørene, som er forbundet med hvert af endestykkerne ved rørenes ender, sikrer også montagens eller elementets stivhed. Andre lederør, som kun er forbundet med det ene af endestykkerne, kan tjene til at fastholde støtte-25 ristene i tillæg til rørenes lede- eller styrefunktion.

Brændselselementerne er almindeligvis anbragt lodret i reaktorkernen, og dermed er det ene endestykke et nederste endestykke, mens det andet endestykke er et øverste endestykke i elementet.

Reaktorens kølefluidum, dvs. vand under tryk, gennemløber kernen 30 nedefra og opad og cirkulerer indvendigt i elementet i kontakt med brændselsstavene, hvorfra fluidet udtager varmeenergi.

Stængerne af absorberende materiale, som indføres i lederørene, er samlet i form af klynger, som forskydes ind i elementernes indre for at regulere reaktorens ydelse. Disse cylindriske stænger er indsat i lede-35 rørene med en meget lille frigang, således at kølevandet praktisk taget ikke cirkulerer i det indre af lederørene. Dette giver iøvrigt ikke anledning til ulemper, idet de absorberende stænger opvarmes mindre, og idet kølingen af lederørenes udvendige overflade er tilstrækkelig.

DK 163848 B

2

Der kendes iøvrigt en ny type kernereaktor med forbedret ydeevne, og som er beskrevet i dansk patentansøgning nr. 195/84, og hvori der frembringes en variation af neutronspektret i kernen ved at indføre en ny type af stænger af absorberende materiale i brændselselementerne, 5 hvor det absorberende materiale frembringer en variation af spektret, dels ved at formindske voluminet af vand i lederørene, og dels ved absorption af neutroner med lav energi. Fortrinsvis er disse stænger til variation af spektret af et fertilt materiale, såsom den svækkede form af uranium 235.

10 I dette tilfælde er opvarmningen af stængerne af svækket uranium, der er stedet for neutronreaktioner, som eksempelvis fører til dannelse af fissilt materiale ud fra fertilt materiale, meget kraftigere, end når der er tale om styrestænger af absorberende materiale.

Det bliver nødvendigt at fremtvinge en cirkulation af vand ind-15 vendigt i de lederør, som er reserveret til stængerne af fertilt materiale.

Det er påtænkt at forøge frigangen mellem lederørene og stængerne af fertilt materiale, men dette vil imidlertid få stængerne til at indtage en excentrisk position i lederøret. Kølingen af stangen til spek-20 trumsvariation er således usymmetrisk, hvilket fører til risiko for fordampning af vand i zonen tæt ved kontaktlinien, og som følge heraf en forøgelse af stangens temperatur, hvilket fører til nedbrydning af hylstermateriale samt deformationer.

Mere generelt tillader den aktuelle struktur for lederørene i 25 brændselselementerne ikke en effektiv køling af stangen af absorberende materiale, som er indført i lederøret. Hvis denne stang bringes til at blive opvarmet, eksempelvis i tilfælde af at den er stedet for varmeud-viklende neutronreaktioner, kan vandlaget af lille tykkelse, som endnu er til stede imellem stangen af absorberende materiale og lederørets 30 indvendige overflade, komme i kog, hvilket yderligere reducerer de termiske udvekslinger, som muliggør stangens køling. Stangens opvarmning kan således dels føre til risiko for overhedning og korrosion, og dels føre til deformation af stangen, hvilket gør det vanskeligt eller umuligt at forskyde stangen i lederøret på et senere tidspunkt.

35 Opfindelsens formål er således at tilvejebringe en brændselsmontage eller et brændselselement med kølede lederør eller rørstyr til en kernereaktor, hvilket brændselselement er sammensat af et bundt af brændselsstave, der er parallelle og fastholdt i et skelet eller stativ, som in-

DK 163848 B

3 deholder støtteriste, som fastholder stavene i tværretningen, lederør, som erstatter visse af stavene i bundtet og er indrettet som styr for stænger af neutronabsorberende materiale i brændselselementets indre, samt endestykker, som er fastgjort til enderne af i det mindste visse af 5 lederørene. Brændselselementet skal muliggøre en effektiv køling af stængerne af absorberende materiale, uden at elementets struktur, fremstilling og montage må blive væsentligt mere kompliceret end i forbindelse med kendte brændselselementer.

Til dette formål er brændselselementet ifølge opfindelsen ejen-10 dommeligt ved, at styre- og centreringsoverfladerne omfatter enten mindst tre langsgående folder eller ribber eller i det mindste én på langs skrueformet forløbende fold eller ribbe rettet indad og forløbende over rørets fulde længde til samtidig at sikre styring og centrering af stangen inden for røret og til at sikre mellemrum med konstant tvær-15 snitsareal for strømning af reaktorkølefluidum imellem røret og stangen.

I det følgende skal opfindelsen beskrives nærmere ud fra et brændsel selement til en kernereaktor med forbedret ydelse såsom beskrevet i dansk patentansøgning nr. 195/84, og under henvisning til tegningen, hvor 20 fig. 1 viser et sidebillede af brændselselementet, fig. 2 et snit taget langs A-A i figur 1, fig. 2a et tværsnit gennem et lederør i brændselselementet i figurerne 1 og 2, 25 fig. 3 et snit langs et lodret plan gennem det indre af to lederør, fig. 4 en udførelsesvariant for et lederør i et brændselselement ifølge opfindelsen, fig. 4a et tværsnit gennem lederøret i figur 4, fig. 5 en anden variant af et lederør i et brændselselement ifølge 30 opfindelsen, og fig. 5a et tværsnit gennem lederøret i figur 5.

I figur 1 ses et brændselselement, som er beregnet til en kernereaktor med forbedret ydelse, således som beskrevet i dansk patentansøg-35 ning nr. 195/84. Et sådant brændselselement indeholder lederør til forskydning af stangbundter til variation af spektret og indeholdende fertile stave, samt lederør til forskydning af stænger til kontrol af reaktorens ydelse.

DK 163848 B

4

Brændselselementet indeholder et knippe eller bundt af brændselsstave 1, som i tværretningen er fastholdt af støtteriste 2, som er fordelt med mellemrum langs stavenes længde, der svarer til elementets højde. Endvidere indeholder brændselselementet et nederste endestykke 4, et 5 øverste endestykke 5 samt et sæt af lederør 6, der alle er forbundet med det øverste endestykke 5.

Det øverste endestykke 5 er forenet med en konstruktion 7, der er indrettet som leje for bundtet af absorberende stave, og konstruktionen gør det muligt at fastgøre en cylinder 8, der er indrettet som et hy-10 draulisk dæmpet endestop for en pumpe 9 til bundtet af fertile stave til spektrumsvariation. Det nederste endestykke 4 er forenet med et centreringsstykke 3 for brændselselementet, som desuden er indrettet til beskyttelse af udstyr til sammenkobling af brændselselementet med reaktorkernens bærende underlag.

15 I figur 2 ses systemet af brændselsstave 1 i hele tværsnittet for brændselselementet. Visse positioner for stave 1 er optaget af lederør 6, der er af to forskellige typer. Den ene type, såsom røret 11, har et cirkulært tværsnit af en klassisk type og giver mulighed for at lede og styre kontrol stænger af absorberende materiale til styring af reaktoren.

20 Brændselselementkonstruktionen indeholder seksten rør 11 til at styre et bundt eller et sæt af absorberende stave.

De øvrige rør, såsom røret 10, har et firebladet tværsnit, og de anvendes til at lede og styre fertile stave af svækket uranium til spektrumsvariation. Brændselselementkonstruktionen indeholder fjorten 25 lederør 10, der gør det muligt at føre eller styre bundtet af stænger til spektrumsvariation.

Som antydet i dansk patentansøgning nr. 195/84 er sættet af kontrolstænger samt sættet af stave til spektrumsvariation monteret på koaks i al måde.

30 I figur 2a ses et rør 10 med firebladet tværsnit, og i hvis indre der er indsat en stang 12 til spektrumsvariation og indeholdende et hylster 13 samt en fyldning 14 af svækket uranium. Imellem hylsteret 13 og uranfyldningen 14 er der frembragt et mellemrum 15 af meget lille størrelse, og som tillader, at uraniumfyldningen 14 ekspanderer eller 35 svulmer op.

Det firebladede tværsnit for lederøret 10 indeholder fire ledeflader 16a, 16b, 16c og 16d, der står frem i retning ind mod det indre af lederøret 10 i hele rørets længde. Disse ledeflader 16 er frembragt ved

DK 163848 B

5 at trykke væggen i røret 10 i retning indad langs fire frembringere, eksempelvis ved hjælp af en formevalse eller ved at føre røret gennem et trækkeværktøj. Stangen 12 til spektrumsvariation er styret af fremspringene 16 under stangens forskydning i lederøret. Fire rum 17a, 17b, 17c 5 og 17d til vandcirkulation er indrettet imellem den indvendige overflade i røret 10 og den udvendige overflade af hylsteret 13 for stangen 12, idet et sådant rum befinder sig imellem to efter hinanden følgende fremspring 16. Indvendigt i disse rum 17 kan kølevandet cirkulere og køle den udvendige overflade på den fertile stang 12.

10 I figur 3 ses, at brændselselementets nederste endestykke 4 er gennembrudt af huller 20 og 21 ud for to lederør 6a og 6b.

Hullet 20 gør det muligt at fastgøre enden af lederøret 6a i endestykket 4 ved hjælp af en hul eller udboret gevindbøsning 22, der er udtagelig og bliver skruet ind i det indre af enden 23 af røret 6a.

15 Enden af røret 6b er ikke fastgjort til det nederste endestykke 4, og hullet 21 tjener udelukkende til at føre kølevandet ind i brændselselementets indre.

På alle rørene 6 er der skrueviklet metaltråde 24, som muliggør en forbedret køling af lederørene på disses udvendige overflade ved at bry-20 de det kolde grænselag, som har tendens til at danne sig omkring lederørene under kølevandets strømning. Disse tråde, som er skrueviklet på alle lederørene og er fastgjort ved det nederste og det øverste parti af disse rør, giver således mulighed for at homogenisere temperaturen for kølevandet, der cirkulerer i elementet.

25 Idet der henvises til figur 2, ser man, at der i elementkonstruktionen er anvendt fireogtyve lederør svarende til røret 6a, som er forbundet både med det øverste endestykke og med det nederste endestykke og dermed bidrager til at gøre elementets skelet stift. Disse rør 6a er udgjort af lederørene II for kontrol stængerne og af visse af lederørene 10 30 for stængerne til spektrumsvariation.

De øvrige lederør 10 for stænger til spektrumsvariation svarer alle til røret 6b, som, udover at fiksere støttegitrene, primært giver styring for stængerne til spektrumsvariation.

I figurerne 4 og 4a ses en første udførelsesvariant for rørene 10 35 til styring af stængerne til spektrumsvariation. Disse rør indeholder tre ledeflader 26, som forløber langs tre af rørets frembringere med en mellemliggende vinkel på 120°, og disse ledeflader er udgjort af ind-trykninger i rørets væg langs de tre frembringere. I figur 4a ses, at

DK 163848 B

6 disse ledeflader for stangen 27 giver mulighed for at opretholde tre rum til cirkulation af kølevand.

I figurerne 5 og 5a ses en anden udførelsesvariant for et lederør ifølge opfindelsen, hvis væg indeholder et sæt af ledeflader 46, som 5 står frem mod rørets indre og er anbragt langs en skruelinie, der har røraksen til akse. Denne fremstående flade 46 kan give støtte eller styring for stangen 47 til spektrumsvariation, idet der herved efterlades et ubrudt rum til cirkulation af kølevand rundt om stangen 47.

Fladen 46, som er fremstående mod rørets indre, er frembragt ved 10 indtrykning af rørets væg. Denne operation kan udføres ved at lade røret dreje og samtidigt udføre en translationsforskydning langs dets akse igennem en formevalse eller ved at føre røret på denne måde ind i et værktøj, som udfører den skrueformede deformation.

Man vil se, at hovedfordelene ved brændselselementet ifølge opfin-15 del sen består i, at der kan udføres en effektiv køling af stængerne af absorberende materiale, der er placeret i lederørene, samtidig med at det undgås at komplicere fremstillingsoperationerne samt lederørenes montage i elementet.

Der kan benyttes fremstående ledeflader på lederørenes væg med en 20 form og en fordeling, der er anderledes end det beskrevne. Der kan ligeledes anvendes en anden fordeling end den beskrevne af de rør, som bidrager til brændselselementets stivhed.

Endelig kan brændselselementet ifølge opfindelsen anvendes ikke blot i en kernereaktor med forbedret ydelse og indeholdende stangsæt til 25 spektrumsvariation, men brændselselementet kan også anvendes i alle andre typer kernereaktorer, hvori der kan opstå en opvarmning og en deformation af kontrol stænger, der er indsat i brændselselementernes lederør.

Claims (6)

1. Brændselselement med kølede lederør til en kernereaktor omfat-5 tende et bundt af parallelle brændselsstænger (1) fastholdt i et stativ omfattende støtteriste (2) til fastholdelse af stængerne (1) i tværretningen, lederør (6), som erstatter visse af stængerne (1) i bundtet, til at styre cylindriske stænger (12), som indeholder neutronabsorberende materiale inden for enheden, samt endestykker (4,5) fastmonteret ved en-10 derne af i det mindste nogle af lederørene (6), hvor visse (10) af lederørene har en i det væsentlige cylindrisk væg med en inderdiameter, som er markant større end stængernes diameter, og har sæt af styre- og centreringsoverflader for stængerne ragende indad mod rørenes indre, og hvor hver er frembragt ved indprægning i væggen af det tilsvarende rør,

15 KENDETEGNET ved, at styre- og centreringsoverfladerne omfatter enten mindst tre langsgående folder eller ribber (12) eller i det mindste én på langs skrueformet forløbende fold eller ribbe (46) rettet indad og forløbende over rørets fulde længde til samtidig at sikre styring og centrering af stangen inden for røret og til at sikre mellemrum med kon-20 stant tværsnitsareal for strømning af reaktorkølefluidum imellem røret og stangen.

2. Brændselselement ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at folderne er rettet langs mindst tre frembringere for røret, og ved at hver fold 25 har i det væsentlige lineær kontakt med stangen.

3. Brændselselement ifølge krav 2, KENDETEGNET ved, at der findes fire folder (16) fordelt langs fire frembringere for røret med mellemliggende vinkler på 90“. 30

4. Brændselselement ifølge krav 1, 2 eller 3 til en kernereaktor for spektrumsvariation, KENDETEGNET ved, at lederørene til optagelse af den cylindriske stav til spektrumsvariation udgøres af de nævnte, visse lederør (10). 35

5. Brændselselement ifølge krav 1, 2 eller 3, KENDETEGNET ved, at de nævnte, visse lederør (10) er beregnet til at optage stænger af fertilt materiale til spektrumsvariation og har cylindrisk form, og at de DK 163848 B Øvrige lederør (11) er indrettet til at optage cylindriske kontrol stænger med neutronabsorberende materiale og har en indvendig overflade med ensartet, cirkulært tværsnit udformet, så der bliver et styrende frirum for kontrol stængerne. 5

6. Brændselselement ifølge ethvert af de foranstående krav, KENDETEGNET ved, at nogle (6b) af de nævnte, visse lederør (10) alene er fastgjort til det øverste endestykke, mens alle andre lederør (6a) er fastgjort til begge endestykker. 10 15 20