FI82782C - Kaernreaktors braensleelement. - Google Patents

Description

1 82782

Ydinreaktorin polttoaine-elementti

Keksintö koskee ydinreaktorin polttoaine-elementtiä.

5 Ydinreaktoreita varten tarkoitetut polttoaine-ele mentit ja etenkin painevesiyhdinreaktoreita varten tarkoitetut polttoaine-elementit muodostuvat nipusta samansuuntaisia polttoainesauvoja, jotka on asetettu kehikkoon, joka muodostuu poikittaisristikoista, kahdesta pääteistu-10 kasta ja ohjausputkista, jotka yhdistävät poikittaisris-tikot ja istukat.

Muodoltaan sylinterimäiset pitkät polttoainesauvat sovitetaan poikittaisristikoihin, jotka pitävät niitä paikallaan nipussa.

15 Poikittaisristikot pitävät yleensä sekä poikkisuun- nassa että akselin suunnassa paikallaan sauvoja, joiden pituus on pienempi kuin ohjausputkien, jotka korvaavat eräitä elementin sauvoista. Sauvojen päät ovat vapaina ja ne sijaitsevat tietyn välimatkan päässä istukoista.

20 Jotta sauvat saadaan kiinnitetyksi poikittaisristi- koitten avulla samalla kertaa sekä akselin suunnassa että poikkisuunnassa, joudutaan käyttämään jousia, jotka kohdistavat sauvoihin huomattavan poikittaisvoiman.

Reaktorin sydämen neutronituotoksen parantamiseksi 25 käytetään elementin ristikoiden valmistamiseen yleensä jotakin heikosti neutroneja absorboivaa zirkoniumleejee-rinkiä.

Jouset on kuitenkin valmistettava nikkelilejeerin-gistä, jotta säteilytyksen alaiseksi joutuvan jousen elas-30 tiset ja mekaaniset ominaisuudet saataisiin hyviksi.

Niinpä onkin ajateltu sauvojen poikittaisen paikallaan pitämisen ja akselinsuuntaisen paikallaan pitämisen erottamista kiinnittämällä sauvat toisesta päästään elementin alaistukkaan. Tästä on kuitenkin haittana se, että 35 alaistukan rakenne monimutkaistuu, sen purkaminen käy hän- 2 82782 kalammaksi ja primaarisen jäähdytyskierron nesteen kier-toväylän poikkipinta-ala pienenee elementissä.

Keksinnön tavoitteena onkin siis ehdottaa ydinreaktoria varten tarkoitettua polttoaine-elementtiä, joka muo-5 dostuu nipusta ainakin osalta pituuttaan sylinterinmuotoisia, samansuuntaisia polttoainesauvoja, jotka ovat kehikossa, joka muodostuu sauvoihin nähden poikkisuuntaisista poikkiristikoista, kahdesta poikkisuuntaisesta pääteistu-kasta ja poikkiristikoihin ja istukoihin liitetyistä oh-10 jausputkista, jotka korvaavat eräitä nipun sauvoja, sauvojen ollessa kiinnitetyt toisesta päästään elementin alaosaan sovitettuun istukkaan, kun tämä elementti on pystysuorassa toiminta-asennossa reaktorinsydämessä, jossa polttoaine-elementissä tulee olla rakenteeltaan yksinker-15 täinen alaistukka, joka mahdollistaa helpon purkamisen ja riittävän kokoisen primaarisen jäähdytyskierron nesteen kulkuväylän sallien kuitenkin sauvojen tehokkaan akselin-suuntaisen ja poikkisuuntaisen paikallaan pitämisen.

Tässä tarkoituksessa keksinnön mukaiselle polttoai-20 ne-elementille on tunnusomaista, että sauvat on kiinnitetty alaistukkaan kiinnityslevyn avulla, jonka rei'ista jokainen vastaa läpimitaltaan ja asemaltaan yhtä polttoaine-sauvaa ja jotka reiät avautuvat samansuuntaisiin uriin, joista jokainen vastaa yhtä sauvariviä ja jotka on työs-25 tetty alaistukan, jossa on reikiä jokaisen sauvan kohdalla, kanssa kosketuksessa olevaan kiinnityslevyn alapintaan, ja että jokaisessa sauvassa on alaosa, jonka poikkileikkauksessa on kolme 120°:n kulmassa toisiinsa nähden olevaa säteen suuntaista haaraa, jokaisen vastaavan sä-30 teensuuntaisen ulokkeen päättyessä alhaalla sauvan sylin-terimäisen osan ääripintaan nähden säteensuunnassa ulkonevaan reunukseen, sauvojen kulkiessa kiinnityslevyn läpi, niin että ulkonevat reunukset, joiden korkeus on olennaisesti yhtä suuri kuin urien syvyys, sijoittuvat vastaavaan 35 uraan niiden lukitsemiseksi pyörimättömiksi ja niiden

II

3 82782 kiinnittämiseksi akselin suunnassa alaistukan ja kiinnityslevyn väliin.

Jotta keksintö ymmärrettäisiin hyvin, seuraavassa selitetään erästä keksinnön mukaista polttoaine-element-5 tiä, jota käytetään ydinreaktorissa, jonka neutronituotos on parempi.

Kuvio 1 esittää pystykuvaa sivulta katsottuna ja osittaisleikkauksena osasta keksinnön mukaista polttoaine-elementtiä.

10 Kuvio 2 esittää osittaisleikkausta kuvion 1 viivan CC kohdalta.

Kuvio 3 esittää pystyleikkausta kuvion 2 viivaa AA kohdalta.

Kuvio 4 esittää leikkausta kuvion 2 viivan BB koh- 15 dalta.

Kuviossa 1 nähdään polttoaine-elementti, jota käytetään hyötysuhteeltaan korkeammassa ydinreaktorissa, kuten hakijan FR-patenttihakemuksessa 82-18 012 kuvatussa reaktorissa.

20 Tässä elementissä on sarja polttoainesauvoja 1, jotka muodostuvat vaippaputkesta, jonka sisässä on poltto-ainetabletteja. Putki on suljettu alapäästään tulpalla 2 ja yläpäästään tulpalla 3. Sauvan alue la, joka sijaitsee juuri alatulpan 2 yläpuolella, on täytetty hyötöaineella, 25 joka korvaa sauvan keskialueen täyttävän fissiokelpoisen polttoaineen. Sama koskee aluetta Ib, joka sijaitsee sauvan ylätulpan 3 alapuolella.

Tällä tavoin muodostetaan jokaiseen elementtiin ja koko sydämeen ylempi ja alempi hyötöainepeitto, jolla saa-30 daan parannetuksi reaktorin neutronituotosta, kuten mainitussa patenttihakemuksessa on selitetty.

Sauvat 1 pysyvät paikallaan kehikossa, joka muodostuu poikittaisristikoista 5, jotka pitävät sauvat 1 paikallaan poikkisuunnassa, alaistukasta 6, yläistukasta 8 ja 35 ohjausputkista 7, jotka on liitetty ristikoihin 5 ja kiin- 4 82782 nitetty toisesta päästään alaistukkaan 6 ja toisesta päästään yläistukkaan 8. Ohjausputket 7 takaavat näin sauvojen 1 tukikehikon paikallaan pysymisen ja jäykkyyden.

Ohjausputket 7 on kiinnitetty istukoiden 6 ja 8 5 läpi ulottuviin reikiin kierteillä varustetulla pääteosal-la, johon voidaan kiertää hoikin 9 (alaistukan osalta) tai 10 (yläistukan osalta) kierteillä varustettu osa.

Kun holkit 9 ja 10 on ruuvattu ohjausputkien 7 kierteillä varustettuihin päihin, saadaan aikaan näiden 10 hoikkien lukittuminen pyörimättömiksi.

Polttoaine-elementti on kiinnitetty alaosastaan sydämenalustalevyyn 12 kuviossa 1 summittaisesti esitetyn keskisäätölaitteen 13 avulla.

Tämä elementin alaosan kiinnityslaite on keksinnön 15 kohteena FRAMATOME'in FR-patenttihakemuksessa 81-22 754.

Viitaten kuvioihin 1, 2, 3 ja 4 seuraavassa selitetään laitetta, jolla polttoainesauvojen alaosa kiinnitetään alaistukkaan 6.

Polttoainesauvojen alatulppa 2 on työstetty suu-20 rimmalta osalta pituuttaan seuraten kuviossa 2 näkyvää poikkileikkausta, jossa on kolme säteen suuntaista haaraa 2a, 2b ja 2c, jotka muodostavat toisiinsa nähden 120°:n kulman. Jokaisessa säteen suuntaisessa ulkonemassa, joka vastaa haaroja 2a, 2b ja 2c, on lisäksi sen alaosassa reu-25 nus 15, joka on ulkoneva sauvan sylinterimäisen osan pyör-eään poikkileikkaukseen nähden, jonka sisään tulpan poikkileikkaus sisältyy, lukuunottamatta säteen suunnassa ulkonevia osia 15.

Kiinnityslevy 14 asettuu alapinnallaan tulpan 5 30 yläpintaa vasten, johon tämä levy 14 on kiinnitetty ontoilla, kierteillä varustetuilla holkeilla 16, jotka on sovitettu alaistukan 6 läpi ulottuviin aukkoihin 17. Jokaisessa aukossa 17 on olake 17a, jota vasten hoikin 16 pää 16a asettuu.

35 Hoikin 16 kierteillä varustettu osa 16a ruuvautuu

II

5 82782 kierteillä varustettuun reikään, joka on tehty levyyn 14 istukan 6 aukon 17 jatkeeseen. Kun holkki 16 on ruuvattu paikalleen, se lukitaan pyörimättömäksi muuttamalla ylä-kauluksen 16c, joka on hoikin pään 16a jatkeena, muotoa 5 aukon 17 tuloaukkoon tehdyissä syvennyksissä.

Näin saadaan levy 14 kiinnitetyksi täysin vakaasti istukkaan 6.

Levyssä 14 on reikiä 18, joiden halkaisija on olennaisesti sama kuin polttoainesauvojen 1 sylinterimäisen 10 osan halkaisija ja ne sijaitsevat kohdissa, jotka vastaavat nipun sauvojen asemia.

Jokaisen sauvan ja reiän 18 jatkeessa istukan 6 läpi ulottuu reikiä 20, joiden läpimitta on lähes sama kuin sauvojen.

15 Istukassa 6 on siis kolmenlaisia reikiä, jotka ulottuvat sen puolelta toiselle, ohjausputkien kiinnitys-reikiä, onttojen levyn 14 kiinnitysholkkeja 16 varten tarkoitettuja aukkoja ja reikiä 20, joista reaktorin jäähdytysvesi pääsee kulkemaan sauvojen 1 alaosan ympäri. Ontot 20 holkit 16 mahdollistavat nekin jäähdytysveden kulun.

Samoin kiinnityslevyssä 14 on kolmenlaisia reikiä, jotka ulottuvat sen puolelta toiselle, ohjausputkien 7 kulkureikiä, polttoainesauvojen 1 kiinnitysaukkoja 18 ja kierteillä varustettuja reikiä hoikkien 16 ruuvaamista 25 varten.

Kiinnityslevyn 14 alapinnassa on toisaalta joukko keskenään samansuuntaisia uria 21, joista jokainen vastaa yhtä polttoainesauvariviä. Aukot 18, joiden läpi sauvojen alaosat kulkevat, aukeavat alaosastaan urien 21 sisään.

30 Kuten kuviosta 1 on nähtävissä, urien 21 syvyys vastaa polttoainesauvojen 1 tulppiin 2 tehtyjen säteen suuntaisten reunusten 15 korkeutta. Kun kysymys on polttoaine-elementistä, joka on tarkoitettu kuvatuntyyppistä parempituottoista ydinreaktoria varten, tämä syvyys on 5 35 mm. Reunusten 15 koko säteen suunnassa on 2 mm.

6 82782

Levyn 14 alapintaan työstettyjen urien 21 leveys valitaan sellaiseksi, että yksi sauvan alaosan säteen suuntaisista haaroista on kohtisuora uran akselia vastaan, kuten nähdään kuvasta 2. Kun kolmen haaran väliset kulmat 5 ovat 120°, sauvan akseli on hieman siirretty uran keskitasoon nähden, minkä vuoksi joudutaan tekemään sylinterin muotoisia syvennyksiä 24 uran yhteen seinämään, jotta sauvat saadaan pannuksi paikalleen levyyn 14.

Kun kysymys on elementistä, jossa sauvojen läpi-10 mitta on 9,5 mm, uran leveys on 8 mm.

Selitämme nyt työvaiheita, joita tarvitaan sauvojen asentamiseksi ja kiinnittämiseksi elementtiin.

Tämä asentaminen suoritetaan elementtiin, jonka kehikko käsittää yläistukan, ohjausputket ja poikkilevyt, 15 alaistukan ollessa vielä paikalleen panematta.

Aloitetaan panemalla kiinnityslevy 14 ohjausput-kien alapäähän, levyn 14 käsittäessä reikäverkoston, joka vastaa näiden ohjausputkien asemaa. Sitten pujotetaan sauvat kiinnityslevyyn 14 ja poikittaisristikoihin 5, sauvo-20 jen pysähtyessä alatulppien 2 reunuksiin 15, jotka asettuvat kiinnityslevyyn 14 työstettyjen urien 21 pohjaa vasten. Sauvat voidaan panna paikalleen vain yhdellä tavalla, uriin, jotka lukitsevat ne pyörimättömiksi.

Sitten asetetaan alaistukka 6 ohjausputkien päi-25 hin, levyn 14 joutuessa tällöin lepäämään istukan 6 yläpintaa vasten. Alaistukka kiinnitetään sitten ohjausput-kiin kierteillä varustetuilla holkeilla 9, jotka on lukittu pyörimättömiksi, kun ne on ruuvattu ohjausputkien päähän.

30 Sitten kiinnitetään levy 14 istukkaan 6 kierteillä varustettujen hoikkien 16 avulla, jotka nekin on lukittu pyörimättömiksi, kun ne on ruuvattu paikalleen kauluksen 16a avulla, joka on taivutettu istukkaan 6 tehtyjen syvennysten sisään.

35 Sauvat 1 on tällöin saatu sekä täysin kääntymättö-

II

7 82782 miksi akselin suunnassa että pyörimättömiksi elementissä. Näitä sauvoja pitävät sivusuunnassa paikallaan ristikot 5, joissa on vain sauvojen kiinnipitoulokkeita eikä enää in-konelia olevia jousia, kuten tunnetun tekniikan mukaisten 5 elementtien poikittaisristikoissa.

Hakijan suorittamat kokeet ovat osoittaneet, että tällä tavoin kiinnitetyt sauvat eivät joudu alttiiksi ylenmääräisille tärinöille käynnissä olevassa reaktorissa.

Toisaalta kiinnityslevy 14 pitää nämä sauvat täy-10 sin paikallaan akselin suunnassa. Jäähdytysveden kulku väylä pysyy kuitenkin suurena elementissä alatulppien muodon ansiosta, joka mahdollistaa veden kulun istukan ja kiinnityslevyn läpi, sauvan poikkileikkaukseen sopivassa leikkauksessa ja onttojen hoikkien 16 ansiosta.

15 Lopuksi alaistukan ja sauvojen purkaminen on äärim mäisen helppoa, koska riittää, että ruuvataan irti liitos-holkit 16 levystä 14 ja liitosholkit 9 ohjausputkista 7. Irtiruuvattaessa hoikin kauluksen muoto muuttuu, jolloin näiden hoikkien lukitus pyörimättömiksi avautuu.

20 Keksintö ei rajoitu selitettyyn suoritusmuotoon; se päin vastoin kattaa kaikki sen muunnelmat.

Niinpä voidaan ajatella muitakin keinoja levyn 14 kiinnittämiseksi istukkaan 6, kunhan nämä kiinnityselimet vain mahdollistavat helpon purkamisen, kuten selitetyt 25 holkit.

Samoin voidaan ajatella sauvojen alatulpan profiloidun osan muodoksi hieman erilaista muotoa kuin tässä selitetty, kunhan tämä muoto vain sallii sauvojen ohjaamisen ja niiden lukitsemisen pyörimättömiksi uriin.

30 Lopuksi keksinnön mukainen elementti ei sovellu ainoastaan sellaisiin parempituottoisiin ydinreaktoreihin, joiden sydämessä on hyötöainekerros sen yläosassa ja sen alaosassa, vaan myös kaikenlaisiin ydinreaktoreihin, joissa pyritään parantamaan neutronitaloutta supistamalla 35 neutroneja aineen määrää polttoaine-elementeissä.

Claims (4)

8 82782

1. Ydinreaktorin polttoaine-elementti, joka muodostuu nipusta ainakin osalta pituuttaan sylinterin- 5 muotoisia, samansuuntaisia polttoainesauvoja (1), jotka ovat kehikossa, joka muodostuu sauvoihin (1) nähden poik-kisuuntaisista poikkiristikoista (5), kahdesta poikkisuun-taisesta pääteistukasta (6, 8), poikkiristikoihin (5) ja istukoihin (6, 8) liitetyistä ohjausputkista (7), jotka 10 korvaavat eräitä nipun sauvoja (1), ja alaistukan (6) päälle sovitetusta ja siihen sen yläpintaa vasten kiinnitetystä kiinnityslevystä (14), jossa on koko sen paksuudelta ulottuvia reikiä (18), tunnettu siitä, että sauvat (1) on kiinnitetty alaistukkaan (6) kiinnityslevyn (14) 15 avulla, jonka rei'istä (18) jokainen vastaa läpimitaltaan ja asemaltaan yhtä polttoainesauvaa (1) ja jotka reiät (18) avautuvat samansuuntaisiin uriin (21), joista jokainen vastaa yhtä sauvariviä ja jotka on työstetty alaistukan (6), jossa on reikiä (20) jokaisen sauvan (1) koh-20 dalla, kanssa kosketuksessa olevaan kiinnityslevyn (14) alapintaan, ja että jokaisessa sauvassa (1) on alaosa (2), jonka poikkileikkauksessa on kolme 120°:n kulmassa toisiinsa nähden olevaa säteen suuntaista haaraa (2a, 2b ja 2c), jokaisen vastaavan säteensuuntaisen ulokkeen päät-25 tyessä alhaalla sauvan (1) sylinterimäisen osan ääri- pintaan nähden säteensuunnassa ulkonevaan reunukseen (15), sauvojen (1) kulkiessa kiinnityslevyn (14) läpi, niin että ulkonevat reunukset (15), joiden korkeus on olennaisesti yhtä suuri kuin urien (21) syvyys, sijoittuvat vastaavaan 30 uraan (21) niiden lukitsemiseksi pyörimättömiksi ja niiden kiinnittämiseksi akselin suunnassa alaistukan (6) ja kiinnityslevyn (14) väliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttoaine-elementti, tunnettu siitä, että kiinnityslevy (14) on 35 kiinnitetty istukkaan (6) onttojen, kierteillä varustet- n 9 82782 tujen hoikkien (16) avulla, jotka on sijoitettu istukan (6) läpi ulottuvien aukkojen (17) sisään ja ruuvattu levyn (14) kierteillä varustettuihin reikiin ja joissa on muotoaan muuttava kaulus (16a), sen lukitsemiseksi pyörimät-5 tömäksi kauluksen muodon muutoksen avulla istukkaan (6) tehdyissä syvennyksissä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen polttoaine-elementti, tunnettu siitä, että polttoaine-sauvoissa (1) on alatulpan (2) yläpuolella ja ylätulpan 10 (3) alapuolella hyötöainetta kahdella sauvan pituuteen verrattuna paksuudeltaan pienellä alueella.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen polttoaine-elementti, tunnettu siitä, että poikittais-ristikoissa (5) on ainoastaan sivusuuntaisia ulkonemia tai 15 ulokkeita sauvojen (1) pitämiseksi paikallaan poikkisuun-nassa. 10 82782