FI94682B - Jätesietoinen polttoainesovitelma - Google Patents

Description

1 - 94682 Jätesietoinen polttoainesovitelma Tämä keksintö on kohdistettu jätesietoiseen ydin-polttoainesovitelmaan erityisesti painevesireaktoreita 5 varten. Tarkemmin sanottuna on keksinnön kohteena polttoainesovitelma, joka käsittää ylemmän tukilevyn ja alemman tukilevyn, useita polttoainesauvoja, jotka ulottuvat niiden välillä, ja useita tukiputkia, jotka ulottuvat niiden välillä ja jotka on kiinnitetty alempaan ja ylempään tuki-10 levyyn, useita ristikkovälikkeitä sijoitettuna tukilevyjen väliin ja käsittäen risteytyviä liuskoja, jotka muodostavat kennoja, joiden läpi polttoainesauvat ulottuvat kunkin tukilevyn käsittäessä suhteellisen suuria aukkoja, joiden läpi jäähdytysvesi virtaa sovitelmaan, sekä ristikkovälike 15 ydinreaktoria varten, joka ristikkoväline käsittää kehä-liuskan, joka muodostaa monikulmion ja useita risteytyviä ristikkoliuskoja, jotka tukeutuvat kehäliuskaan ja ulottuvat monikulmion poikki siten, että ne muodostavat useita kennoja polttoainesauvojen vastaanottamista varten, jotka 20 ristikkoliuskat on deformoitu muodostamaan kanavia, jotka ulottuvat kohtisuorasti ristikkoliuskojen pituuteen nähden.

Painevesireaktoreissa ydinpolttoaine on sauvojen muodossa, joita kannattavat ristikkovälikkeet, jotka si-25 sältävät jousia, jotka painavat tangot toisia jousia tai syvennyksiä vasten. Useat näistä ristikkovälikkeistä on sijoitettu sauvojen pituutta pitkin, joka voi olla noin 3 m tai noin 3,6 m. Sauvat ulottuvat ylemmän ja alemman tukilevyn välillä, mutta eivät.tavallisesti lävistä niitä.

30 Nämä levyt ja ristikkovälikkeet on kiinnitetty tukisauvoi-hin, jotka tavanomaisesti toimivat myös ohjausputkina sää-tösauvoja varten, jotka muuttavat sovitelman reaktiivisuutta. Tukisauvat on usein kiinnitetty tukilevyihin pika-kiinnitysmekanismeilla, jotka sallivat polttoainesovitel-35 man purkamisen. Ristikkovälikkeet on sijoitettu välimat-koittain sauvojen pituutta pitkin alimman ollessa tavan- 2 .· 94682 omaisesti joitakin senttimetrejä alemman tukilevyn yläpuolella. Polttoainesauvat laajenevat useita senttimetrejä pituudeltaan niiden säteilytyksen aikana ja ylimmän ja alimman ristikkovälikkeen paikan täytyy ottaa tämä huo-5 mioon.

Eräs ydinreaktorien käyttöön liittyvä ongelma on erityyppisten jätteiden kerääntyminen, joka voi tapahtua rakennetta alunperin koottaessa tai korjauksen aikana ja niihin voi sisältyä muttereita, pultteja, metallilaatuja, 10 puulastuja ja erityyppistä roskaa. Ylempi ja alempi tuki-levy on varustettu verrattain suurilla aukoilla veden virtausta varten. Suurin jäte, joka ei kulje näiden aukkojen läpi ei aiheuta erityisiä ongelmia. Pienin, joka voi olla esimerkiksi tavanomaisen hiekan jyväsen kokoinen, kulkee 15 sovitelman läpi jälleen aiheuttamatta mitään erityistä haittaa. Keskikokoiset jätteet voivat kuitenkin olla äärimmäisen vaivalloisia, koska ne voivat juuttua poltto-ainesauvojen väliin ja kuluttaa niitä. Tämä voi aiheuttaa polttoaineen ja fissiotuotteiden pääsyn jäähdytysveteen 20 aiheuttaen säteilyongelmia. Taipumus juuttua polttoaine-sauvojen väliin koskee erityisesti sauvojen aluetta alimman ristikkovälikkeen alapuolella.

Eräs yrityksistä lieventää jäteongelmaa on ollut käyttää hyvin pitkiä päätykappaleita, jotka ulottuvat .· . 25 polttoainesauvojen päästä alimpaan ristikkoon. Siten sau- vojen osuus, joka on altteimpana jätteen kulutukselle ei sisällä polttoainetta ja tämän johdosta ei aiheuta säteilyn karkausongelmaa, kuten yllä on selitetty. Kuitenkin tästä on se haitta, että täytyy korvata osa polttoaineesta 30 inertillä materiaalilla ja siten vähentää sovitelmalla ; saavutettavissa olevaa tehoa. Toinen ehdotettu ratkaisu on ollut muodostaa pieniä reikiä alempaan tukilevyyn, jotka toimivat seulana ja estävät jätteen pääsyn kosketukseen polttoainesauvojen kanssa. Kuitenkin tämä lisää painepudo-35 tusta sovitelman läpi ja voi johtaa alentuneeseen jäähdy-tysainevirtaukseen ja tämän johdosta alempaan sallittavis-

II

3 - 94682 sa olevaan tehotasoon. Edelleen jäte, joka ei kulje alemman tukilevyn läpi pysyy siellä ja kun jäähdytysveden kierto on katkaistuna, putoaa reaktoriastian pohjalle, missä se on valmiina aiheuttamaan ongelmia kierron seuraa-5 van kerran käynnistyessä.

Keksinnön mukaisesti sovitelman rakenne on sellainen, että se tehokkaasti pyydystää jätteet siten, että ne eivät kosketa polttoainesauvojen polttoaineosuutta ja pitää ne siellä siten, että ne voidaan poistaa sovitelmasta 10 polttoaineen vaihdon aikana. Se ei merkittävästi lisää sovitelman painepudotusta eikä vaadi ylenmäärin pitkien päätykappaleiden käyttöä niistä seurauksena olevine tehon-laskuineen. Rakenne on sellainen, että kanavien välillä on poikittaisvirtausta siten, että kaikkia sauvoja jäähdyte-15 tään tehokkaasti myös, kun jotkin tilat ovat osittain jätteen täyttämät.

Tämän toteuttamiseksi polttoainesovitelman ristik-kovälike, joka on edullisesti samanlainen kuin mitä on esitetty ja selitetty EP-hakemusjulkaisussa 0 237 064, on 20 sijoitettu alemman tukilevyn päälle tai enintään vain hivenen sen yläpuolelle. Keksinnön mukainen sovitelma on tunnettu ristikkovälikkeestä, joka on sijoitettu oleellisesti alemmalle tukilevylle ja sovitettu osittamaan tukilevyn aukot jätteen pyydystämiseksi ja sen pääsyn estä-.· 25 miseksi polttoainesauvojen välisiin tiloihin. Keksinnön mukaiselle ristikkovälikkeelle on tunnusomaista, että kanavat on kaareutettu ulospäin niiden keskikohdalta muodostamaan jouset polttoainesauvojen tuentaa varten, ja että ristikkoliuskat ja kehäliuska on muodostettu materiaalis-30 ta, joka on valittu siten, että ristikkoliuskoilla on voi-; makkaampi laajeneminen ydinsäteilyn alaisina kuin kehä- liuskalla. Järjestely on sellainen, että jäte, joka voi kulkea tukilevyn aukkojen läpi törmää ristikkovälikkeen rakenneosien reunoihin ja pysyy siellä, toisinsanoen alem-35 man tukilevyn sisällä tai ulottuu hivenen ristikkovälik-keeseen riippuen jätekappaleen koosta ja muodosta. Sauvat 4 - 94682 tunkeutuvat riittävästi tähän alimmaiseen ristikkovälik-keeseen pysyäkseen paikoillaan, mutta eivät niin pitkälle, että polttoainetäytteinen osuus kohtaisi jätekappaleet. Alimmaisen ristikkovälikkeen tunkeutumisasteen määrittämi-5 sessä täytyy sallia aina 5 cm asti säteilytyspolttoaineen kasvu, jotta säilytetään oikea suhde sovitelman iän aikana. Jotta varmistetaan jousikosketus tällä alueella, pää-tyvälikkeen syvyyttä, joka on sijoitettu alempaa tukilevyä vasten, täytyy lisätä normaaliin välikkeeseen nähden. Kun 10 ristikkovälike on yllä viitattua rakennetta, sillä on etunaan parempi polttoainesauvan tuenta ja laajempi poltto-ainesauvan tukipinta-ala. Tämän tulisi vähentää poltto-ainesauvojen syöpymistodennäköisyyttä ristikkovälikkeiden kohdalla.

15 Jotta minimoidaan sauvojen värähtelyt ja syöpymi nen, on erityisen tärkeää säilyttää oikea jousikuorma alimmalla ristikkovälikkeellä. On myös suotavaa neutroni-talouden kannalta käyttää täysin zircaloyta olevaa väli-kettä. Tämä myös välttää koboltin läsnäolon (inconelin 20 aineosa), joka tulee voimakkaasti radioaktiiviseksi neut-ronisäteilyn alaisena. Tämän keksinnön toisen piirteen mukaisesti jousikuormaa tällaisella täysin zircaloyta olevalla välikkeellä voidaan edelleen parantaa valssaussuun-tien orientoinnilla tiettyjä välikkeen osia varten. Sätei-. 25 lytys aiheuttaa kasvua valssaussuunnassa tuotteissa, jotka on valmistettu zircaloy-levyraaka-aineesta. Merkittävää kasvua ei koeta muissa suunnissa. Kokeet yllä mainitun tyyppisellä välikerakenteella ilmaisevat, että paikalliset kuormat johtuen suurista jousitaivutuksista kaikissa sau-30 van tukikohdissa kasvattavat jossain määrin välikkeen kehää. Tämän seurauksena kehyksen tuenta poikkeuttaisi hivenen välikejousia lisäten kuormaa sauvoilla. Valssaussuun-nan edullinen orientaatio on tämänjohdosta kohtisuora liuskan pituuteen nähden kehällä olevia liuskoja varten 35 vahvistaen siten koko ympärystä ja yhdensuuntainen sisäpuolisten liuskojen pituuteen nähden. Sisäpuolisten lius- 5 - 94682 kojen pituuden vahvistaminen aiheuttaisi jousten korkeuden kasvun, mikä pyrkisi tasapainottamaan säteilyn aiheuttamaa jousien relaksaatiovaikutusta.

Sama voitaisiin toteuttaa käyttämällä täysin tois-5 tokiteytettyä karkaistua zircaloyta kehäliuskassa ja kyl-mätyöstettyjä, päästettyjä sisä(ristikko)liuskoja. Kylmä-valssattu, päästetty zircaloy kasvaa huomattavasti enemmän säteilytyksen johdosta kuin toistokiteytetty karkaistu materiaali.

10 Oheisissa piirustuksissa kuvio 1 esittää yleisesti tämän keksinnön kohteena olevaa tyyppiä olevan polttoainesovitelman, kuvio 2 on osittainen perspektiivikuva keksinnön mukaisen sovitelman alimmasta ristikkovälikkeestä ja alim-15 masta tukilevystä, kuvio 2a on osittainen leikkauskuva polttoainesau- vasta, kuvio 3 on osittaisleikkaus kuvion 2 linjaa 3-3 pitkin esittäen alimman ristikkovälikkeen ja tukilevyn vä-20 lisen riippuvuuden ja havainnollistaen niiden muodostamia virtausreittejä ja kuvio 4 on osittaisleikkaus alimmasta ristikkovälikkeestä ja alemmasta tukilevystä.

Polttoainesovitelman yleinen tyyppi, jota keksintö 25 koskee, on esitetty kuviossa 1. Kuten tässä kuviossa on esitetty, polttoainesovitelmat on valmistettu suuresta lukumäärästä pystysuoria, lähekkäin sijoitettuja poltto-ainesauvoja 22, joita pidetään paikoillaan ristikkovälik-keillä. Alin näistä ristikkovälikkeistä on tavanomaisesti 30 sijoitettu useita senttimetrejä alemman tukilevyn 4 yläpuolelle. Sauvat 22 ulottuvat ristikkovälikkeen läpi ja päättyvät lähellä tukilevyä 4. Tämän keksinnön mukaisesti alin ristikkovälike on sijoitettu kosketukseen tai likimain kosketukseen alemman tukilevyn kanssa. Tämä on esi-35 tetty kuviossa 2, jossa alimman ristikkovälikkeen on estetty lepäävän alemmalla tukilevyllä 4. Yksi polttoaine- 6 - 94682 sauvoista on esitetty viitenumerolla 6 ulottuen osittain ristikkovälikkeen läpi, kuten on parhaiten esitetty kuviossa 4. Useita ohjausputkia 8 ulottuu täysin ristikkovälikkeen läpi ja ne on kiinnitetty tukilevyyn 4. Ne ovat 5 samalla tavoin kiinnitetyt ylempään tukilevyyn (ei esitetty) ja ne toimivat tukisauvoina sovitelman sitomiseksi yhteen.

Ristikkovälikkeet ovat edullisesti sitä yleistä tyyppiä, joka on esitetty EP-hakemusjulkaisussa 0 237 064.

10 Tässä hakemuksessa esitetyn konstruktion mukaisesti ris-tikkovälike on muodostettu kaksoisvalssatuista nauhoista 13, jotka on deformoitu kanavien 10 muodostamiseksi. Kuten on esitetty, nämä kanavat on alunperin taivutettu ulospäin siten, että ne tarttuvat polttoainesauvoihin ja toimivat 15 jousina sauvojen pitämiseksi paikoillaan. Kun sauvat työnnetään paikoilleen ne litistyvät kuviossa 10 esitettyyn asentoon. Viimeksi mainitun patentin selityksen vastaisesti näitä kanavia ei kuitenkaan tarvitse kaareuttaa jäähdytysveden poikkeuttamiseksi, vaan ne voivat olla pystysuo-20 ria. Kanavien 10 välissä on aukkoja 11 ristikkoliuskoissa. Niillä on kaksi tehtävää: Ne lisäävät rakenteen joustavuutta ja aikaansaavat myös väyliä jäähdytysveden sivu-suuntaiselle virtaukselle kanavien välissä. Jos yksi kanava on tukkeutunut jätteen johdosta, vesi voi virrata sii-.* 25 hen muista kanavista ja siten estetään polttoainesauvojen ylikuumeneminen. Nämä ristikkovälikkeet on tehty syvemmik-si kuin on tavallista, jotta mahdollistetaan muutokset polttoainesauvojen alapäiden paikassa säteilykasvun myötä johtuen säteilylle alttiina olosta.

30 Kuvio 4 esittää sauvan kolmessa pisteessä, pistees- sä 6 on esitetty, mitä voidaan kutsua polttoainesauvan "normaaliksi" asennoksi, 6' esittää maksimaalisen siirtymän ylöspäin kun taas 6" esittää maksimaalisen siirtymän alaspäin. Jotta taataan optimaalinen käyttäytyminen, sau-35 vat on modifioitu tavanomaisesta muodosta, kuten on esitetty kuviossa 2a, jossa sauvat 6 on varustettu jossain 7 94682 määrin kaarevalla päätykappaleella 12, jolla on sama uiko-halkaisija kuin polttoainesauvalla. Laajennetun sauvan päätykappaleen käytöllä, jolla päätykappaleella on sama tai suurempi halkaisija kuin suojavaipan maksimihalkaisi-5 ja, eliminoidaan mahdollisuus sauvatukien välien muodostumiseen johtuen säteilyn aiheuttamasta suojakuoren ryömin-nästä. Tämä mahdollistaa sauvan tuennan tukilevyn yläpuolelta ja kiinteä pää aikaansaa suuremman etäisyyden polttoaineella täytetyn sauvan osan ja loukkuun jääneen jät-10 teen välille.

Kuvio 3 esittää polttoainesauvojen 6, ristikkovä-likkeen 2 ristikkoliuskojen 13 ja tukilevyn 4 reikien 14 välisen riippuvuuden (polttoainesauvat on esitetty katkoviivoilla mainitun riippuvuuden havainnollistamiseksi sel-15 keämmin). Nähdään, että ristikkoliuskat 13 jakavat tukilevyn reiät 14 pienemmiksi väyliksi ja että kappaleiden 13 kaksoisliuskarakenne on erityisen tehokas tässä suhteessa. Kuten nähdään vertaamalla tätä kuviota ja kuviota 3, reiät 14 ja liuskat 13 muodostavat loukun jätteelle ja es-20 tävät sitä saavuttamasta polttoainesauvojen 6 polttoaine- täytteisiä osuuksia.

Kuten yllä on selitetty, ristikkoliuskat 13 ja ris-tikkovälikkeen 2 kehäliuska 16 on leikattu zirealoy-levy-materiaalista, josta ne on tehty siten, että materiaalin ; 25 valssaussuunta on yhdensuuntainen kehäliuskan leveyden kanssa, toisinsanoen pystysuora kuviossa 2, ja pituussuuntainen ristikkoliuskoissa, toisinsanoen vaakasuuntainen kuviossa 2. Vaihtoehtoisesti kehäliuska 16 voidaan tehdä toistokiteytetystä lämpökäsitellystä zircaloystä ja ris-30 tikkoliuskat 13 kylmätyöstetystä, päästetystä zircaloys- : tä. Kuten on selitetty, tämä johtaa ristikkoliuskojen pi tuuden lujittumiseen siten, että jousien korkeus saadaan kasvamaan säteilyn myötä ja tasapainottamaan säteilyrelak-saation vaikutus näihin jousiin.

35

Claims (12)

1. Polttoainesovitelma, joka käsittää ylemmän tu-kilevyn ja alemman tukilevyn (4), useita polttoainesauvoja 5 (6), jotka ulottuvat niiden välillä, ja useita tukiputkia (8), jotka ulottuvat niiden välillä ja jotka on kiinnitetty alempaan ja ylempään tukilevyyn, useita ristikkovälik-keitä sijoitettuna tukilevyjen väliin ja käsittäen risteytyviä liuskoja (13), jotka muodostavat kennoja, joiden 10 läpi polttoainesauvat (6) ulottuvat kunkin tukilevyn (4) käsittäessä suhteellisen suuria aukkoja (14), joiden läpi jäähdytysvesi virtaa sovitelmaan, tunnettu ristik-kovälikkeestä (2), joka on sijoitettu oleellisesti alemmalle tukilevylle (4) ja sovitettu osittamaan tukilevyn 15 (4) aukot (14) jätteen pyydystämiseksi ja sen pääsyn estä miseksi polttoainesauvojen (6) välisiin tiloihin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttoainesovitelma, tunnettu siitä, että ristikkovälike (2) on muodostettu risteytyvistä kaksoisliuskoista (13), jotka 20 kaksoisliuskat on deformoitu kanavien muodostamiseksi j äähdytysvettä varten.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että mainittujen kanavien seinämät on kaareutettu ulospäin niiden korkeuden keskiosasta jou- 25 sien aikaansaamiseksi, jotka koskettavat polttoainesauvoja (6).

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että aukot (4) alemmassa tukile-vyssä (4) ovat oleellisesti pyöreitä ja liuskojen (13) 30 risteykset ovat likimain niiden keskellä.

:* 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että kullakin polttoainesauvalla (6) on alapäässään päätykappale (12), joka ulottuu poltto-ainesauvan polttoainetäyteisestä osuudesta etäisyydelle, 35 joka on yleisesti puolet sen ristikkovälikkeen (2) kor- 9 94682 kaudesta, joka on kosketuksessa alemman tukllevyn (4) kanssa, ja jolla on halkaisija, joka on vähintään yhtä suuri kuin polttoalnesauvan (6) polttoainetäytteisen osuuden suojavalpalla.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen sovltelma, tunnettu siltä, että alemman tukllevyn (4) kanssa kosketuksessa olevalla rlstlkkövällkkeellä (2) on korkeus, joka on suurempi kuin muilla rlstlkkovällkkeillä (2).

7. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sovltelma, 10 tunnettu siltä, että alemman tukllevyn (4) kanssa oleellisesti kosketuksessa oleva rlstlkkovällke (2) on tehty oleellisesti täysin zircaloystä ja kehäliuska (16) ja poikittaisliuskat (13) on muodostettu zircaloy-levyma-teriaalista sillä tavoin, että levymateriaalin valssaus- 15 suunta on kehäliuskan kapeammassa suunnassa ja poikittais-liuskojen pituussuunnassa.

8. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sovltelma, tunnettu siitä, että alemman tukllevyn (4) kanssa oleellisesti kosketuksessa oleva rlstlkkovällke (2) on 20 tehty oleellisesti täysin zircaloystä sen kehäliuskan (16) ollessa toistokiteytettyä lämpökäsiteltyä materiaalia ja risteävien liuskojen (13) ollessa kylmätyöstettyä, päästettyä materiaalia.

8 94682

9. Rlstlkkovällke ydinreaktoria varten, joka ris- .· 25 tikkoväline käsittää kehäliuskan (16), joka muodostaa mo nikulmion ja useita risteytyviä ristikkoliuskoja (13), jotka tukeutuvat kehäliuskaan ja ulottuvat monikulmion poikki siten, että ne muodostavat useita kennoja polttoai-nesauvojen (6) vastaanottamista varten, jotka ristikko- 30 liuskat (13) on deformoitu muodostamaan kanavia, jotka ulottuvat kohtisuorasti ristikkoliuskojen pituuteen näh- « den, tunnettu siitä, että kanavat on kaareutettu ulospäin niiden keskikohdalta muodostamaan jouset poltto-ainesauvojen (6) tuentaa varten, ja että ristikkoliuskat 35 (13) ja kehäliuska (16) on muodostettu materiaalista, joka 10 ' 94682 on valittu siten, että ristikkoliuskoilla on voimakkaampi laajeneminen ydinsäteilyn alaisina kuin kehäliuskalla.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen ristikkovälike, tunnettu siitä, että ristikkovälike (13) on tehty 5 oleellisesti täysin zircaloystä.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen ristikkovälike, tunnettu siitä, että kehäliuska (16) ja ris-tikkoliuskat (13) on tehty levymateriaalista siten, että levymateriaalin valssaussuunta on kehäliuskan kapeammassa 10 suunnassa ja ristikkoliuskojen (13) pituussuunnassa.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen ristikkovälike, tunnettu siitä, että kehäliuska (16) on muodostettu toistokiteytetystä lämpökäsitellystä materiaalista ja risteävät liuskat (13) on muodostettu kylmätyöste- 15 tystä, päästetystä materiaalista. II 11 94682