NO133626B - - Google Patents

Description

Atombrenselelement for kokende reaktor.

Denne oppfinnelse vedrører et forbed-

ret atombrenselelement for kokende reak-

tor, særlig et sådant som inneholder såvel spaltbart som fertilt materiale og bestemt for anvendelse i reaktorer som arbeider med et kokende, nøytronmodererende kjø-lemiddel som strømmer i brenselelementets lengderetning.

For å holde kjerneraksj onene på en hastighet som er tilstrekkelig til å frem-bringe anvendbare mengder av termisk energi, beregnes, konstrueres og drives atomreaktorene nu således at atombrenslet anordnes i brenselelementer som kan ha forskjellig form, omfattende plater, rør el-

ler staver. Disse brenselelementer er vanligvis utstyrt med et utvendig korrosjons-

fast varmeledende overtrekk og grupperes i faste innbyrdes avstander i en kjølemid-delstrømkanal eller -område. Et tilstrekke-

lig antall brenselelementgrupper kombine-

res for å danne atomreaktorkjernen som er istand til selv å opprettholde kjernereak-sjonen. Kjernen er innesluttet i en reak-torbeholder, gjennom hvilken kjølemidlet sirkulerer.

I visse typer av reaktorer som arbeider med flytende moderatorer, kokes den flytende moderator og virker også som kjøle-middel. Den fra reaktoren uttatte varme transporteres i moderatordampen. I reaktorkjernen, hvor moderatoren koker, har dannelsen av damphulrom meget stor inn-flytelse på atomforholdet mellom modera-

tor og brensel på grunn av de store tett-hetsendringer som opptrer ved dampdannel-

sen. Der foreligger også en stor variasjon i den effektive reaktivitet k(;[f i kjernen. Ved et forholdsvis lavt forhold mellom modera-

tor og brensel nedsetter dannelsen av hulrom verdien av k(!ff, og det sies derfor at reaktoren har negativ reaktivitetskoeffisi-

ent og er selvregulerende eller sikker mot ødeleggelser. Den negative reaktivitetskoeffisient begrenser ved en endring av forholdet mellom moderator og brensel den effekt som kan frembringes i reaktorkjernen. Da kjølemidlet flyter i én retning, inntreffer en konsentrasjon av de dannede hulrom ved den ende av kjernen som ligger inntil kjølemidlets utløp. Da forholdet mellom moderator og brensel således er ujevnt langs kjølemidlets strømningsbane, er også

den aksiale nøytronfluks og effektfrembringelsen i høy grad uensartet og beteg-

nes som «forvrengt» eller «skjev» i forhold til den normale cosinusfordeling. Denne skjeve fordeling av effektfrembringelsen medfører en sterkt varierende temperatur - fordeling langs kjølemidlets strømnings-bane, slik at den effekt som kan uttas fra reaktoren, er begrenset ved temperaturen av det varmeste parti av brenselelementet.

I et forsøk på å unngå denne forvreng-

te eller skjeve effektfordeling er det blitt forsøkt å innsette reguleringsstav-gift i kjernen ved den motsatte ende av den, hvor damphulrommene er konsentrert; derved kan oppnåes en betydelig grad av fluks- og effektnormalisering eller -utjevning. Denne forholdsregel er imidlertid beheftet med to vesentlige ulemper. Dels er innføring av

reguleringsgift nødvendigvis en forholdsregel som innebærer sløseri med nøytroner, da omfanget av absorpsjon uten fission er direkte proporsjonal med den tilstedevæ-rende giftmengde. Dels er den ventede levetid av kjernens brenselfylling eller brensel-forbrenningen betydelig nedsatt som følge av at det ikke er mulig å brenne opp hele den opprinnelige overskuddsreaktivitet som er bygget inn i den rene kjerne når en del av reguleringsgiften nødvendigvis også må være tilstede i kjernen ved slutten av leve-tiden for at utjevningen av strømmen og effekten skal opprettholdes.

Foreliggende oppfinnelse tar først og fremst sikte på i et kokende reaktoranlegg også å overvinne det angitte problem med skjeve fluks- og effektfordelinger og forkortet oppbrenning som følge av anvendel-sen av reguleringsgift for utjevning av strømmen og effekten, idet der, som nevnt, anvendes et atombrenselelement som inneholder såvel spaltbart som fertilt materiale og bestemt for anvendelse i reaktorer som arbeider med et kokende, nøytronmodere-rende kjølemiddel som strømmer i bren-selelementenes lengderetning. I henhold til oppfinnelsen er innholdet av spaltbare atomer pr. lengdeenhet i hovedsaken konstant, mens innholdet av fertile atomer pr. lengdeenhet avtar i brenselelementets lengderetning i kjølemidlets strømningsretning. Ved at brenselelementet ifølge oppfinnelsen inneholder en i hovedsaken konstant mengde spaltbare atomer pr. lengdeenhet, tiltar den effektive eller gjennomsnittlige anrikning eller konsentrasjon av spaltbare atomer i brenselelementet i retning av kjø-lemidlets strøm. De unormale variasjoner i nøytronfluksen og effektfrembringelsen avhengig av avstanden gjennom reaktorkjernen, som vanligvis forårsakes av moderatorens koking i nærvær av konvensjonelt brensel, elimineres helt. Når koking av moderatoren inntreffer i kjølemiddelkanalene, har reaktorkjernen ifølge foreliggende oppfinnelse enten en i hovedsaken konstant eller på forut bestemt måte ikke-konstant lokal k,,ff langs lengden av kjølemidlets strømningsbane og den oppviser følgelig enten en tilsvarende, i hovedsaken normal (cosinus) eller mere enn normalt avflatet (pseudo-firkantbølge) nøytronfluks- og effektfrembringelsesfordeling.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er et skjematisk oppriss, delvis i snitt av et atomreaktorkar som inneholder en kjerne som består av vertikale brenselelementer og gjennom hvilken der kan ledes et flytende nøytron-modererende kjølernedium, fig. 2 en grafisk fremstilling av variasjonen av keff for en væskemoderert reaktor kjerne ved endring av atomforholdet mellom moderator og brensel, og fig. 3 en grafisk fremstilling av nøytronfluksen eller effektfrembringelsen som en funksjon av ar-beidsbetingelsene og brenseltypen med avstand gjennom reaktorkjernen ifølge fig. 1, fig. 4 viser skjematisk i oppriss og snitt en reaktor med et kokende nøytronmodere-rende kjølernedium hvorreguleringsgiftinn-føres ved kjølemiddelinnløpet, fig. 5 er et snitt av et brenselelement ifølge oppfinnelsen og fig. 6 en grafisk fremstilling av en typisk fordeling av hule brenseltabletter med forholdsvis lav anrikning langs lengden av brenselelementet ifølge oppfinnelsen; fig. 7 viser grafisk fremstilling som angir hvorledes det forbedrede brenselelement ifølge oppfinnelsen bevirker en forutbestemt k(.lf og normale og utjevnede fluks- og effektfordelinger i nærvær av kokende moderator, og fig. 8 og 9 i oppriss og delvis i snitt to utførelseseksempler på gjenstanden for oppfinnelsen.

Reaktorkaret 10 ifølge fig. 1 er forsynt med kjølemiddelinnløp 12 og 14 og kjøle-middelutløp 16 og 18. Mellom disse tilkob-linger ligger en vertikalt anordnet reaktorkjerne 20 som er sammensatt av flere vertikalt anordnede brenselaggregater eller strømningskanaler 22 som hver inneholder et eller flere kjernebrenselelementer som på vanlig måte har form av plater, stenger eller rør. Reaktorkjernen hviler på et nedre støttegitter 24 som på sin side understøt-tes av holdere 26 på reaktorveggen. Holde-gitteret 28 på kjernens overside skal hindre en relativ bevegelse mellom brenselkana-lene. Reguleringsstaver 30 er innført i kjernen på vanlig vis for regulering av varmefrembringelseshastigheten. Disse reguleringsstaver manøvreres ved hjelp av ikke viste konvensjonelle anordninger.

Fig. 2 viser kurven 40 over variasjonen av keff for reaktorkjernen 20 som en funksjon av atomforholdet mellom moderator og brensel ved konstant brenselanrikning. Moderatortettheten i kjernen avtar med tiltagende temperatur og dannelsen av damphulrom. Et maksimum er vist ved punktet 42. I hvert punkt til høyre for punktet 42 innebærer en minskning i moderator-brenselforholdet en økning av k(lff. Slike reaktorkjerner er ikke selvregulerende, men har en positiv reaktivitetskoeffisient. I hvert punkt til venstre for punktet 42 er reaktivitetskoeffisienten negativ, dvs. koft avtar med avtagende moderator-brenselforhold. Eftersom det av sikkerhets-grunner ikke er ønskelig at reaktorkjernen har generelt positiv reaktivitetskoeffisient i hvert tidspunkt fra igangsetning til drifts-tilstand, er væskemodererte reaktorer nesten alltid utført til å arbeide til venstre for punktet 42 for å utelukke driftsfeil.

Punkt 42 representerer tilstanden i en slik væskemoderert reaktor under rene, kolde betingelser. Under igangsetningcn øker anleggets temperatur, gjennomsnitts-temperaturen av den i reaktoren tilstede-værende moderator tiltar, dens tetthet avtar og forholdet mellom moderator og brensel minsker. Dette fortsetter inntil mode-ratortemperaturen har nådd metning uten koking, hvilken tilstand representeres ved punktet 44. Ved fortsatt økning av effektfrembringelsen dannes der damphulrom i moderatoren. Derved oppstår der en ytterligere minskning i moderator-brenselforholdet i en utstrekning som er størst inntil kjernens kjølemiddelutløp, da hulrommene opptrer i størst utstrekning på dette sted. Tilstanden på dette sted representeres av punktet 46. Det maksimale tap av koff i en koker-reaktorkjerne er representert ved den vertikale avstand Ak mellom punktene 44 og 46, og det viser seg således at for-søk på å frigjøre varme i stor mengde ved koking av moderatoren er effektive, men på bekostning av en sterk minskning i k(,,f, hvorved anleggets maksimale effektnivå igjen begrenses.

Fig. 3 viser kurver over variasjonene av den aksiale nøytronfluks eller effektfrembringelse langs brenselelementene for forskjellige driftstilstander og brenseltyper i reaktoren ifølge fig. 1. Kurven 50 representerer den normale, cosinuslignende strømnings- og effektfordeling langs kjernen, som er karakteristisk for konstant k,,ff og konstant anrikning i hele kjernens lengde. En slik fordeling oppnås sjelden og noensinde helt som følge av de ovennevnte temperaturendringer som endrer det effektive moderator-brenselforhold. Variasjonen i fluksen av termiske nøytroner langs kjernens akse er en i hovedsaken cosinusfor-met kurve og tilsvarende forhold mellom toppeffekt og gjennomsnittseffekt går opp til omkring 1,7. Denne verdi oppnås nær-mest i en ikke-kokende, væskemoderert reaktor som arbeider ved lav temperatur-økning, hvor variasjonen i k()ff er liten.

Hvis imidlertid nøytronmoderatoren koker og den lokale ki;ff på et gitt sted i reaktoren ligger mellom punktene 42 og 46, fig. 2, opptrer en skjev nøytronfluks-og effektfordeling. Denne skjeve fordeling er vist ved 52 på fig. 3, hvor forholdet mellom toppeffekt og gjennomsnittseffekt her er omkring 3,5 og følgelig forholdet mellom topptemperatur og gjennomsnitts-temperatur i brenselet på tilsvarende måte er høyt. Eftersom fastheten av brenslet og konstruksjonsmaterialene under høy temperatur er begrenset, er den maksimale effektfrembringelse i reaktorkjernen begrenset ved den topptemperatur som opptrer i bare en del av kjernens lengde.

Den ovennevnte forholdsregel for å normalisere fluks- og effektfordelingen ved innskyting av reguleringsstaver fra kjernens ende ved kjølemiddelinnløpet er effektive og kan bringe fordelingen av den aksiale strøm og effekt til den fordeling som omtrent er antydet ved kurven 54 på fig. 3. Ved denne fremgangsmåte er imidlertid utnyttelsen av nøytronene dårlig og den tillatte brenseloppbrenning er mins-ket. Ved anvendelse av det forbedrede atomreaktorbrensel ifølge oppfinnelsen få-es de avflatede fordelinger ifølge kurvene 56 og 58, hvor forholdet mellom toppeffekt og gjennomsnittseffekt er mindre enn 1,7 og nærmer seg verdien 1,0, hvilket svarer til en firkantbølge snarere enn til en cosi-nuskurve.

Fig. 4 viser skjematisk den delvis for-dampede tilstand av et kokende moderator-kjølemiddel i en reaktor. Her er reaktorhu-set 60 forsynt med kjølemiddelinnløp 62 og 64 og et damptuløp 66. Brenselelementer 68 er anordnet i et gitter eller en kjerne og

reguleringsstaver 70 stikker inn fra kjernens ende ved kjølemiddelinnløpet. Damphulrom 72 dannes og tiltar i størrelse etter-hvert som de beveger seg oppover med kjø-lemidlet mellom brenselelementene, hvorved der oppstår en effektiv minskning av atomforholdet mellom moderator og brensel og av den lokale verdi for kt.ff i kjernens øvre eller kokeregionen. Ved et sammenlagt kjerneeffektnivå tilsvarende normalkurven 50, fig. 3, må kokerkjernens nedre del frem-bringe den effekt som svarer til den i kjernens øvre del tapte eller ikke tilgjengelige del av effekten. Dette er forklaringen på den nedre topp i den nedre del av kurven 52, fig. 3, i fravær av reguleringsstaver 70. Ved at reguleringsstavene innføres, som vist på fig. 4, skjer der en tilstrekkelig nøy-tronabsorbering til å minske nøytronstrøm-men og effektfrembringelsen i kjernens nedre del, hvorved den omtrent cosinusfor-mede fordeling i henhold til kurven 54, fig. 3, gjenopprettes. Ved hjelp av kjernebrens-let ifølge foreliggende oppfinnelse fåes en ytterligere forbedring av strøm- og effekt-

fordelingen til de ved kurvene 56 og 58, fig. 3, representerte fordelingsformer.

Fig. 5 viser et brenselelement ifølge foreliggende oppfinnelse. I denne figur er den relative vertikaldimensjon forkortet. Dette brenselelement er i praksis f. eks. omkring 280 cm langt, omkring 15 mm i diameter og inneholder 200 aksialt anordnede brenseltabletter med en lengde på omkring 13 mm. Kjølemidlets strømnings-retning antas å være oppad og kokegrensen antas å ligge i nærheten av den 35te tablett regnet fra bunnen eller enden ved kjøle-middelinnløpet. Hvis mettet kjølemiddel innføres i reaktoren, vil kokegrensen ligge i nærheten av den første brenseltablett. I det ene eller annet tilfelle vil begynnende ved kokegrensen og sett i retning mot kjø-lemiddelutløpet ved den 200de tablett den gjennomsnittlige samlede vekt av brensel pr. lengdeenhet minske i henhold til oppfinnelsen i overensstemmelse med avstanden langs brenselelementet i kjølemidlets strømningsretning som om en innvendig, nedad avsmalnende hulhet eller åpning 82 var anordnet i brenselstangen 80 fra brenselelementets ende ved kjølemiddelutløpet til et sted i nærheten av kokegrensen. Iføl-ge oppfinnelsen opprettholdes det gjennomsnittlige innhold av spaltbare atomer pr. lengdeenhet i hovedsaken konstant. Således er den gjennomsnittlige anrikning av spaltbare atomer høyere inntil kjernens utløpsende for å bevirke en i hovedsaken konstant lokal k,,ff langs hele kokeområdet ovenfor den 35te tablett og i hovedsaken med samme verdi som den lokale k(,,f i det kokefri område nedenfor den 35te tablett.

Ifølge fig. 5 oppnåes disse variasjoner i den gjennomsnittlige brenselvekt og konsentrasjon av spaltbare atomer i brenselelementets lengderetning ved at massive brenseltabletter 84 og hule brenseltabletter 86 blandes omtrent i den viste fordeling. Hver ønsket gjennomsnittlig eller effektiv variasjon i konsentrasjonen av spaltbare atomer og av brenselvekten kan oppnåes i brenselelementets lengderetning ved anvendelse av bare de faste brenseltabletter som inneholder en viss mengde spaltbare atomer, og hule brenseltabletter som inneholder en tilsvarende mengde spaltbare atomer, men som har mindre vekt og brenselinnhold som følge av hulrommet. Utgående fra kokegrensen som kan ligge ved kjernens ende ved kjølemiddelinnløpet, hvis der innføres mettet kjølemiddel, og i tilslutning dertil i kjølemidlets strøm-ningsretning mot brenselstengenes ende ved kjølemiddelutløpet, avtar det gjennomsnittlige antall faste tabletter pr. lengdeenhet, mens det gjennomsnittlige antall hule tabletter samtidig øker i en forutbestemt grad for å opprettholde den ønskede kllff og for på denne måte å tilveiebringe en normal eller en avflatet fluks-og effektfordeling gjennom kokeområdet også i nærvær av hulrom som følge av fordampning av moderatoren. Med uttrykk som «avflatet» menes her variasjoner i strømnings- eller effektnivået som med-fører en tilnærmelse til en firkantet bølge-form, dvs. en form, hvor forholdet mellom toppverdien og gjennomsnittsverdien er 1,0.

På fig. 5 er den relative målestokk i vertikal- og horisontalretningen slik at de enkelte brenseltabletter med målene 13x13 mm opptrer som skiver. Den vertikale målestokk er forkortet for at der på fig. 5 skal kunne vises omkring 200 brenseltabletter, hvilket antall er typisk for et brenselelement i en lengdestørrelsesorden på 280 cm og bestående av brenseltabletter som i hver dimensjon har en utstrekning på omkring 13 mm.

Fig. 6 er en grafisk fremstilling av variasjonen i andelen av hule tabletter i en brenselstav avhengig av avstanden i retning mot kjølemiddelutløpet fra kokegrensen. En lineær kurve 90 er trukket fra kokegrensen som er representert ved punktet 92, til brenselelementets ende ved kjø-lemiddelutløpet. Punkter 94 angir prosen-ten av hule brenseltabletter i hver sukses-siv, påfølgende, overlappende gruppe på ti brenseltabletter i brenselelementet ifølge fig. 5. Eksempelvis omfatter de tre første grupper tablettene med nummerbetegnel-sene henholdsvis 35—44, 40—49 og 45—54. Det lineære forløp av denne variasjon i konsentrasjonen av hule brenseltabletter er her valgt av anskuelighetshensyn. I virkeligheten vil den prosentuale variasjon av hule brenseltabletter ikke alltid være lineær, men den vil oppvise en krumning av den ved kurven 96 antydede beskaffenhet, idet konsentrasjonen av hule tabletter øker hurtigere med avstanden umiddelbart over kokegrensen enn tilfellet er ved kjernens ende inntil kjølemiddelutløpet. Denne krumning er nødvendig for bibeholdelse av en konstant kef[ i nærvær av koking som følge av den ikke lineære karakter av variasjonen av k(,ff ved endringer i forholdet mellom moderatoren og brenslet (kurven 40 mellom punktene 44 og 46, fig. 2), forskjel-len mellom hastighetene av dampfasen og væskefasen og økningen i hastigheten med avstanden gjennom kjernens kokeområde av den moderatordamp som danner hulrom, variasjonen i effektfrembringelses-hastigheten med avstanden langs brenselelementet (kurven 50, fig. 3) etc. Ved en slik konstant kulf fåes normale eller cosi-nusformede strøm- og effektfordelinger og-så i nærvær av det kokende kjølemiddel. Fordelingen av de hule og de massive brenseltabletter bestemmes på samme måte som den lineære fremstilling, men med hensyn tatt til disse ikke-lineære egenskaper og den ønskede fluksvariasjon, dvs. hvorvidt den skal være normal eller flatere enn normal.

Fig. 7 viser grafisk den mekanisme som antas å være ansvarlig for at den kon-trollerte k,,ft og de normale eller avflatede aksiale fluks- og effektfordelinger oppnåes ved anvendelse av brenselelementet ifølge oppfinnelsen i en med kokende moderator-kjølemiddel arbeidende atomreaktor. En skare av kurver 100, 102 og 104 representerer økende anrikninger eller konsentrasjoner av spaltbare atomer i brenslet. Punktet 106 tilsvarer den rene kolde tilstand i reaktoren, punktet 108 tilsvarer den tilstand som råder i reaktoren på det sted, hvor moderatorens fordampning begynner, dvs. ved kokegrensen, i en reaktor med konvensjonelt brensel, mens punktet 110 tilsvarer den vanlige tilstand som råder ved reaktorens ende inntil kjølemiddel-ut-løpet. Punktet 112 tilsvarer den tilstand som råder ved reaktorens ende inntil kjø-lemiddelinnløpet når kjølemidlet innføres ved en lavere temperatur enn metnings-temperaturen, dvs. med en viss underkjø-ling. De forskjellige andre punkter på kurven 102 mellom punktene 108 og 110 representerer de effektive lokale k(.r[-verdier langs suksessive lengdeenheter av brenselelementet over kokeområdet. Når damphulrommene blir store, øker utstrekningen av kjølemidlets fordampning, og den lokale kuff for hver følgende lengdeenhet blir lavere og lavere langs kjølemidlets strøm-ningsbane, hvorved et betydelig tap av k( [r lik A k2 oppstår ved koking med vanlig brensel."

I brenselelementet ifølge foreliggende oppfinnelse er det mulig, men ikke nødven-dig, å tilveiebringe en myk variasjon i brenselvekten eller -innholdet pr. lengdeenhet eller en myk variasjon i den effektive anrikning med lengden og å tilveiebringe enten en konstant eller en eller annen forutbestemt variasjon i effektiv lokal k(,fl, slik at der oppnåes enten en normal eller en mere enn normal avflatet fordeling av den aksiale strøm og effekt. Slike

myke variasjoner i brenselinnholdet og

-anrikningen kan oppnåes ved at brenselstaven konstrueres med et nedad avsmalnende hulrom sett i lengdeaksen, som vist ved 82 på fig. 5. Eftersom hver brenseltablett i serien i henhold til oppfinnelsen har samme innhold av spaltbare atomer, kreves et meget stort antall forskjellige slags hule brenseltabletter med forskjellig størrelse av den indre åpning ved denne utførelse. Ved den praktiske utførelse av oppfinnelsen er denne store variasjon ikke nødvendig da nøytronvandringsleng-den ved romtemperatur er forholdsvis høy

sammenlignet med gjennomsnittsdimen-sjonene av en enkelt brenseltablett. Vand-ringslengdene er av størrelsesordenen 6,6 cm i lett vann, 6,4 cm i terfenyl, 100 cm i

tungt vann og ennu høyere ved reaktorens driftstemperatur. Den maksimale dimensjon i en eller annen retning ved de enkelte brenseltabletter ifølge utførelseseksemple-ne på oppfinnelsen er betydelig mindre enn disse nøytronvandringslengder. Dimensjo-nene er vanligvis mindre enn 25 pst. og for-trinnsvis mindre enn 10 pst. av disse avstander. Således kan det enkelte nøytron ikke «se» lokale anomaliteter som følge av nærvær av en massiv tablett i en serie av hule tabletter eller omvendt. Således ei-det den gjennomsnittlige konsentrasjon av spaltbare atomer og det gjennomsnittlige brenselinnhold over en enhetslengde av brenselstaven, som er mindre enn omkring 20 pst. av den lokale nøytronvandrings-lengde som i virkeligheten bestemmer verdien av den lokale k(.ff. Således fåes brenselelementene ifølge oppfinnelsen den forutbestemte variasjon i effektiv anrikning og effektivt brenselinnhold lettest ved en lineær anordning av individuelle brenseltabletter ved anvendelse av bare én type av massive tabletter og én type av hule

tabletter som samtlige har samme effektive innhold av spaltbare atomer og som er anordnet slik at den derav dannede brenselstav oppviser den forutbestemte variasjon av den gjennomsnittlige konsentrasjon av spaltbart materiale og av brenselinnhold..

Den horisontale linje 114 på fig. 7 representerer de konstante lokale k.ff-verdier for suksessive tilskuddslengder av brensel til tross for endringer av moderatorens tetthet som følge av kokingen, hvilke verdier kan holdes konstant ved hjelp av brenselelementet ifølge oppfinnelsen. Punktene på kurven 102, som refererer seg til vanlig brensel, er overført til linjen 114 med konstant lokal keff ved hjelp av et brenselelement ifølge oppfinnelsen, som har en fordeling av hule og massive tabletter i henhold til kurven 96, fig. 6, og som anvendes i en med kokende moderator kjølt reaktor. På fig. 7 svarer punktet 110 til punktet 110a, som det er forbundet med med linjen 110b, og punkt 110a representerer den ekvivalente lokale k(,ff av i det minste ti brenseltabletter (nummer 191—200) i brenselelementet 80 ifølge fig. 5. Da alle disse tabletter er hule og inneholder samme ekvivalente antall spaltbare atomer som de massive tabletter, er både forholdet mellom moderator og brensel og konsentrasjonen eller anrikningen av spaltbare atomer øket, hvorved punktet 110 er blitt forskjøvet effektivt på kurven 102 til punktet 110a på kurven 102a med høyere effektiv anrikning og linjen 114. På samme måte svarer punktet 116 til et lengdeavsnitt av brenselelementet, som ligger omtrent en tredjedel av strekningen inn i kjernen, regnet fra kjølemiddelutløpet. Det gjennomsnittlige antall hule brenseltabletter på dette avsnitt er noe mindre enn i punktet 110a og den effektive anrikning er li-keledes noe mindre, da samme effektive mengde av spaltbart materiale inngår i et lengdeavsnitt av brenselelement, som har større gjennomsnittlig brenselinnhold som følge av nærværet av de massive tabletter. Således er moderator-brenselforholdet noe høyere og den effektive anrikning noe lavere på dette sted enn ved punktet 110a. Derved forskyves punktet 116 til punktet 116a på anrikningskurven 102b og linjen 114 med hvilken det er forbundet over linjen 116b. De øvrige punkter på kurven 102 mellom kokegrensen som er representert ved punktet 108, og reaktorens utløpsende som er representert ved punktet 110, er på lignende måte forskjøvet til en rekke tilsvarende punkter på linjen 114, idet hvert lengdeavsnitt i kokeområdet meddeles samme lokale kcff i nærvær av en fordampet moderator, koker-reaktoren har således selvsagt en konstant eller i hovedsaken konstant ekvivalensverdi for den lokale kcf[ i hele kokeområdet og følgelig normal eller cosinus-fluks- og effektvariasjoner som angitt ved kurven 50, fig. 3.

I henhold til oppfinnelsen kan en annen fordeling av de hule og de massive brenseltabletter enn den som er angitt ved kurvene 96 og 90 på fig. 6, anvendes med bibehold av samme konsentrasjoner av hule tabletter av 0 pst. henholdsvis 100 pst. ved kokegrensen og enden inntil kjølemiddel-utløpet. Ved å redusere den prosentuale mengde av hule brenseltabletter i brenslet mellom disse punkter, som f. eks. antydet ved kurvene 98 eller 99, fig. 6, nedset-tes de ekvivalente lokale verdier for k(.(f i det midtre parti av kokeområdene i forhold til verdiene ved kokegrensen og ved utløpet, som antydet ved kurven 115 henholdsvis 117, fig. 7. Disse k(,ff-verdier svarer på sin side til den avflatede eller pse-udo-firkantbølge-fordeling for strømmen og forholdene mellom topp- og gjennomsnittsverdien for strømmen og effekten under 1,7 og i nærheten av 1,0.

Når driften av en atomreaktor med brenselelementer ifølge oppfinnelsen av-brytes, opphører kokingen, og moderator-brenselforholdet øker i hvert lengdeavsnitt av kokeområdet og de ekvivalente lokale k,,ff-verdier øker langs de forskjellige an-rikningskurver på fig. 7 mellom kurvene 102 og 104 til en rekke punkter på kurven 120, slik at reaktoren får en generell k(:ff, som er representert ved punktet 122. Ved ytterligere nedkjøling til romtemperatur økes moderator-brenselforholdet noe, idet det følger kurven for gjennomsnittlig effektiv anrikning, som passerer gjennom punktet 122. Det er uten videre klart at tapet av reaktivitet eller A k for det forbedrede brensel ifølge oppfinnelsen er representert ved den vertikale avstand mellom punktet 122 og den horisontale linje 114. Det er tydelig at dette tap i reaktivitet som følge av hulrom er betydelig mindre enn tapene i reaktiviteten A k, tilsvarende den vertikale avstand mellom punktene 108 og

111, som er karakteristisk for konvensjonelle koker-reaktorer. Dette er en fordel som selvsagt har forbindelse med de ovenfor beskrevne normale eller avflatede strøm- og effektfordelinger.

Fig. 8 viser en utførelse av oppfinnelsen, hvor en del av et brenselelement er

gjengitt omtrent i riktig målestokk. Brenselelementet er forsynt med endetilkoblin-ger 130 og 132 og med et rørformet hylster 134 av korrosjonsfast materiale, f. eks. zir-kon, rustfritt stål eller lignende. Brenselstaven er sammensatt av en rekke i lengde-retningen anordnede massive brenseltabletter 136 og hule brenseltabletter 138 i en slik rekkefølge at gjennomsnittsantallet av hule brenseltabletter 138 øker i retning oppad, dvs. i kjølemidlets strømningsret-ning. Ifølge fig. 8 er grupper med økende antall hule brenselelementer adskilt av en enkelt massiv brenseltablett anordnet efter hinannen. Det kan særlig nevnes at bare én type av massive tabletter og bare én type av hule tabletter kreves ved denne utførelse, idet antallet av spaltbare ato-

mer pr. lengdeenhet er det samme såvel i de hule som i de massive tabletter.

Fig. 9 viser en annen utførelse, hvor de til fig. 8 svarende deler har samme be-tegnelse. Ved denne modifikasjon kreves flere, nærmere bestemt fem forskjellige typer av brenseltabletter, nemlig dels massive tabletter 136 og dels fire slags hule brenseltabletter 140, 142, 144 og 146 med suksessivt større sentral boring og tilsvarende mindre brenselvekt. Derved nærmer man seg den myke variasjon i brenselinnholdet og i innholdet av spaltbare atomer i hver brenseltablett, som ovenfor omtalt. Alle de massive og hule tabletter er dess-uten forsynt med et ytterskikt 148, hvori i hovedsaken hele det spaltbare materiale inngår. Brenslet innenfor skiktet 148 kan f. eks. være uran med nedsatt konsentrasjon eller naturlig uran eller torium, mens skiktet 148 kan bestå av plutonium eller anriket uran. Det sentrale hulrom 150 smalner av nedad og bevirker de variasjoner i den gjennomsnittlige konsentrasjon av spaltbart materiale og i brenselvolum som kreves for forskyvning av punktene på kurven 102, fig. 7, mellom punktene 108 og 110 oppad til tilsvarende punkter på kurven 114, hvorved den konstante eller forutbestemte variasjon av k,,ff fåes.

Modifikasjonen ifølge fig. 9 byr på be-tydelige fordeler sammenlignet med normale brenselelementer. Den sentrale boring 150 danner et rom for ansamling av even-tuelt frigjorte spaltningsgasser, og hulrommet 152 muliggjør ekspansjon av brenseltablettene. Den sentrale boring hindrer også at der oppstår en høy temperatur i brenselstavens indre. Ved en konsentrasjon av det spaltbare materiale i de ytre 0,5— 20 volumprosent av tabletten umiddelbart inntil varmeoverføringsoverflaten er den maksimale tillatelige termiske utgående effekt fra dette brenselelement til å begynne med så meget som 60 ganger større enn ved konvensjonelle, jevnt anrikede, ildfaste brenseltabletter, og også efter langvarig drift er den fremdeles omkring 3 ganger større.

Til de brenselmaterialer som kan anvendes i brenselelementer ifølge oppfinnelsen hører alle de kjente fertile eller spaltbare materialer, såsom uran, torium, plutonium og lignende. De kan anvendes i elementær form, som legeringer, som blan-dinger eller som forbindelser, f. eks. i form av oksyder, silicider, karbider etc. De hule brenselelementer kan fremstilles ved konvensjonelle stanse-, dreie-, støpe- eller andre metoder hvis de er metalliske, eller hvis det gjelder ildfaste forbindelser kan tablettene presses av pulverformet materiale og sintres for tilveiebringelse av hårde tabletter med høy tetthet.

Følgende eksempler angir sammenlig-ninger mellom en konvensjonell koker-reaktor med urandioksyd-brenselelementer i form av massive staver og en koker-reaktor med brenselelementer ifølge foreliggende oppfinnelse under forøvrig iden-tiske betingelser.

Eksempel 1.

En med kokende vann arbeidende reaktor omfatter en kjerne som består av 488 brenselaggregater med et ytre gjennom-strømningskammer som er omkring 305 cm langt og har et kvadratisk tverrsnitt med en sidelengde på 8,9 cm. Hver kanal inneholder 36 massive urandioksyd-(U02)-brenselelementer som er anordnet i et fir-kantmønster 6x6, idet avstanden mellom stavenes midtlinjer er 18 mm. Anrikningen går opp til 1,50 vektprosent TJ235 og brenseltablettene har en diameter på omkring 12,7 mm og er komprimert og sint-ret til en tetthet av omtrent 95 pst. av den teoretiske tetthetsverdi for U02. Den samlede mengde urandioksydbrensel i kjernen utgjør 60 870 kg fordelt på 17 551 brenselstaver; aggregatene er innesluttet i en kjerne som er innpasset i en omskreven sirkel med en diameter på 3,28 m. Bren-selaggregatkanalenes stavovertrekk består av «zircaloy-2», reaktorkjerneeffekten går opp til 626 MW(t) (termiske megawatt) og reaktoranleggets effekt er 192 MW(e)

(elektriske megawatt) brutto og 180 MW(e)

netto. Det som moderator virkende kjøle-middel utgjøres av avmineralisert lett vann og det gjennomsnittlige volumforhold mellom vann og U02-brensel i kjernen er 2,17.

Reaktoren arbeider ved 71,3 kg/cm2. Van-net innføres i kjernen ved en temperatur på 263°C, 22°C nedkjølet, og det utgår som en blanding av mettet damp og vann på 285°C. Kjølemidlets sirkulasjonshastighet går opp til 11,6 x 106 kg/h. Ved et effektnivå på 626 MW(t) med en ren kjerne under kokebetingelser og med reguleringsstavene uttrukket er den aksiale nøytron-fluks og effektfrembringelsen i høy grad varierende med et forhold mellom toppen og gjennomsnittet på omkring 3,5.

Eksempel 2.

Ved et identisk effektnivå på 626 MW (t) med samme rene kjerne og under ko-kevilkår minskes forholdet mellom topp og gjennomsnitt med hensyn til nøytronfluk-sen og effekten til 1,5 ved tilpasning av reguleringsstavstyring med reguleringsstavene innført i reaktorkjernen inntil dens

ende ved kjølemiddelinnløpet. Den ventede

levetid for denne kjerne går opp til omtrent 3000 MWD/T (megawatt døgn pr.

tonn) ved anvendelse av reguleringsstaver

for strømnings- og effektutjevning.

Eksempel 3.

En forbedret reaktorkjerne med brenselstaver ifølge foreliggende oppfinnelse

drives under koking ved samme effekt.

Brenselstavene har samme lengde og samme diameter, men er fremstillet av en

blanding av massive sylindriske tabletter

som inneholder 1,5 vektprosent anriket

TJ23502, og hule brenseltabletter som inneholder omkring 25 prosent mindre brenselvekt enn de massive tabletter, men en

mengde anriket U02 som er ekvivalent med

mengden i de massive tabletter. Som følge

av minskningen av brenselinnholdet i de

sylindriske tabletter går den effektive anrikning opp til 2,0 pst. Fordelingen av de

hule brenseltabletter i brenselelementets'

lengderetning er i hovedsaken den som er

vist ved kurven 98, fig. 6. Forholdet mellom toppverdien og gjennomsnittsverdien

av nøytronfluksen og effekten er omkring

1,4 eller ved en ventet driftslevetid på

5000 MWD/T. Reguleringsstavstyring kreves ikke for å glatte effektfordelingen og

følgelig kan drift ved full effekt fortsette

inntil samtlige reguleringsstaver er fjer-net fra kjernen. Effektfrembringelsen kan

fortsette forbi dette punkt med langsomt

avtagende utgangseffekt.

Eksempel 4.

Som et ytterligere eksempel kan an-føres at den termiske effekt når kjernen

i ovennevnte 626 MW(t)-reaktor erstattes

med brenselstaver av den på fig. 9 viste

type, hvor den sentrale brenseltemperatur

ikke lengere medfører noen begrensninger

selv ved slutten av brenselets levetid hos

denne reaktor er nesten 100 pst. høyere

enn ved konvensjonelt brensel, nemlig omkring 1100 MW(t).

Ved anvendelse av de forbedrede brenselelementer ifølge oppfinnelsen er det

oppnådd en betydelig økning av den tillatte utgangseffekt og en betydelig øket

brenselforbrenning fra en gitt koker-reaktor kjerne.

Claims (9)

1. Atombrenselelement inneholdende

såvel spaltbart som fertilt materiale og bestemt for anvendelse i reaktorer som ar beider med et kokende, nøytronmodereren-de kjølemiddel som strømmer i brenselele-mentenes lengderetning, karakterisert ved at innholdet av spaltbare atomer pr. lengdeenhet er i hovedsaken konstant, mens innholdet av fertile atomer pr. lengdeenhet avtar i brenselelementets lengderetning i kjølemidlets strømningsretning.

2. Brenselelement i henhold til på-stand 1, med flere aksialt efter hinannen anordnede brenseltabletter, karakterisert ved at tablettene utgjøres av massive og hule tabletter med hovedsakelig samme innhold pr. lengdeenhet av spaltbare atomer.

3. Brenselelement i henhold til på-stånd 2, karakterisert ved at det er utformet med et hulrom som er konisk i elementets lengderetning.

4. Brenselelement i henhold til på-stand 2, karakterisert ved at det er utstyrt med et ytre lag, i hvilket innholdet av spaltbare atomer i det minste til å begynne med inngår i sin helhet.

5. Brenselelement i henhold til på-stand 4, karakterisert ved at det ytre lag utgjør mellom 0,5 og 20 volumprosent av brenselelementet.

6. Brenselelement i henhold til på-stand 2, karakterisert ved at alle de hule brenseltabletters sentrale hulrom har i det vesentlige samme åpning og er adskilt av massive tabletter.

7. Brenselelement i henhold til på-stand 2, karakterisert ved at de hule brenseltabletters hulrom varierer suksessivt tiltagende i brenselelementets lengderetning.

8. Brenselelement i henhold til en eller flere av de foregående påstander, karakterisert ved at den maksimale utstrekning av hver brenseltablett i en hvilken som helst retning er mindre enn omtrent 25 prosent av nøytronenes frie veilengde i kjølemidlet.

9. Brenselelement i henhold til på-stand 1, karakterisert ved at det utgjøres av en blanding av massive og hule brenseltabletter, av hvilke de massive inneholder spaltbare atomer og de hule inneholder det samme antall pr. lengdeenhet av spaltbare atomer, men har lavere vekt som følge av de indre hulrom, at det midlere antall massive tabletter avtar over en hvilken som helst lengdeenhet, og at det midlere antall hule tabletter samtidig øker i et bestemt forhold.