SE188362C1 - - Google Patents

Description

Uppfinnare: C W Wheelock Prioritet beglird fr tin den it januari 1959 (USA) Foreliggande uppfinning avser ett forbattrat bransleelement for en karnreaktor, och sarskilt ett bransleelement for en medelst organiskt material modererad reaktor med fOrbattrade prestanda.

For en detaljerad beskrivning av en medelst organiskt material modererad reaktor hanvisas till »Reports NAA-SR-1700, 1800 and 1850», vilka Oro tillgOngliga fran Office of Technical Services, Washington 25, D. C.

Hittills ha bransleelement av plattypen eller MTR-ty pen (MTR = Material Testing Reactor) anvants i medelst organiskt material modererade reaktorer, liksom i reaktorer kylda med vanligt vatten eller med tungt vatten. Den i de ovannamnda handlingarna omnamada reaktorn med benamningen »Organic Moderated Reactor Experiment ((AIRE)» anvander ett dylikt element. Detta element omfattar i princip ett flertal parallella, plana eller svagt bojda plattor, vilka hallas tillsammans i en rektangular ram. Kylmedelstriimningen Or av parallelltyp, dvs. parallell med brUnsleplattorna utefter elementets langdaxel. Betraffande bransleelement av MTR-typen och sattet att tillverka dylika hanvisas till en uppsats med titeln »MTR-type Fuel Elements, av J. E. Cunningham och E. J. Boyle, vilken uppsats aterfinnes i The Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy», Geneve, Schweiz, aug. 1955, som finnes till salu hos United Nations' Book Store, New York, N. Y.

Ehuru element ay plattypen kunna arbeta och allmanhet Oro tillfredsstallande, ha ett antal .olagenheter visat sig och det Or darfor Onskvart med forbattringar. Det Or harvid redan frau biirjan att lagga marke till att bransleelementet sannolikt Or det enstaka kannetecken hos en karnreaktor, som Or viktigast i avseende ph den tekniska mojligheten och de ekonomiska forutsattningarna for effektalstring genom karnreak tioner. Reaktom konstrueras ofta omkring bransleelementet i avseende ph hardens konfiguration, den mekaniska hopmonteringen, stromningshastigheterna och driftvillkoren, for att endast namna ett fatal faktorer. Ifraga om de ekonomiska forhallandena kan papekas, att branslekostnaderna nppga till ungefar halften av den totala kostnaden for effektalstring medelst karnreaktorer, varfor varje fOrbOttring av bransleelementet. for att erna hogre arbetstemperaturer, battre fordelning av flodet och. effektfordelningen samt langre livslangd hos bransleelementen pa ett betydelsefullt Ott skulle bidraga till att minska kostnaderna for branslegangen.

Bland olagenheterna hos bransleelement av platt-typen Or att forhallandet mellan maximalt node och medelflodet imrganska Mgt. Detta uppkommer genom ett flodesfall Over elementet ph grund av en sjalvskarmning av en bransleplatta genom de andra, och de hire plattorna vilka »se» ett lagre neutronflode ph grund av neutronabsorptionen genom de yttre plattorna, komma darfOr att alstra mindre varme. Eftersom den maximala tillatna temp eraturen, och foljaktligen effektnivan, hos bransleelementet begransas genom temperaturen hos den hetaste delen av elementet, minskas uteffekten i forhallande till vad som skulle kunna erhallas med likformigt Bide och likformig temperaturniva. Ett annat resultat utgores av en olikformig utbranning, vilken begransar livslangden hos bransleelementet innan fly behandling erfordras. Utbranningen begransas genom den maximala tillatna utbranningen av den individuella bransleplatta, som mottagit den storsta bestralningen, i stallet for av medelutbranningen. Vidare Or kylmedelstromningshastigheten relativt hog hos element av platt-typen for uttagande ay en given varmemdngd och delta Okar i sin tur behovet av pumpeffekt och kostnaderna. Det rektangulara elementet av platt-typ erfordrar Oven orientering ifraga om vinkellaget 2— 1883j2 — reaktorn, vilket komplicerar utrustningen for inforande och uttagande av branslet. Eftersom varmeutvecklingen och temperaturfordelningen i det rektanguldra elementet av platt-typ är olikformig, inforas pakanningar, vilka kunna leda till fel pa ett bransleelement.

Ett syfte med fiireliggande uppfinning är darfor att astadkomma ett forbattrat bransleelement for en karnreaktor.

Ett annat syfte med uppfinningen är aft astadkomma ett bransleelement for en khrnreaktor, som har forbattrande prestandaegenskaper och är enklare att tillverka.

Ett annat syfte är att astadkomma ett bransleelement, som har en jamforelsevis likformig varmealstring och temperaturfordelning.

Eft ytterligare syfte ar aft astadkomma ett brdnsleelement, ddr moderatorverkan r bdttre uppdelad mellan omraden inuti och utanfor bransleelementet, vilket leder till mera likformiga termiska neutronflodesnivaer.

A.nnu ett syfte Or att astadkomma ett bransleelement, vilket Or i hog grad lampat for att anvanda olika material for bransle och uppbyggnad.

Annu ett syfte Or att astadkomma ett dylikt bransleelement, i vilket styrstavar kunna anvandas i elementets mittomrade, varigenom neutronflodet i intilliggande bransleelement icke stores.

Ytterligare eft syfte Or att astadkomma ett bransleelement, vilket icke erfordrar orientering ifraga oin vinkellaget i reaktorn.

Ovanstaende liksom ytterligare syften och fordelar med uppfinningen framgh. av den efterfoljande, detaljerade beskrivningen i samband med de bifogade anspraken och ritningen. — Fig. 1 Or en sidovy, delvis i sektion, som visar bransleelementet i lage i en karnreaktor. — Fig. 2 or en deltvarsektion genom fig. 1. — Fig. 3 Or en perspektivvy av elementet.

I princip omfattar brdnsleelementet ett flertal koncentriska ringar, vilka innehalla det klyvbara materialet. Gruppen av bransleringar Mlles tillsammans medelst inre och yttre koncentriska holjeror. Moderatorn strammar i det inre av holjeroren och moderatormaterialet är salunda battre uppdelat mellan omradena innanfor och utanfor bransleelementet. Den teriniska neutronflodesnivan ph bransleelementets insida Or foljaktligen i huvudsak densamma som pa utsidan. Bransleelementet Or anpassat for anvandning av styrstavar eller andra styrningsmedia i mittomradet hos nicsot eller nagra eller alla bransleelementen i reaktorn. En bekvam metod erhalles foljaktligen for att reglera effekten hos varje bransleelement utan att infora lokaliserande flodesstorningar i intilliggande bransleelement. Reglering eller styrning kan Oven ernas genom att taga bort moderatormaterial i stallet for att infOra gift, vilket leder till ett battre utnyttjande av neutronerna. Elementet, soni foretradesvis Or cirkulart ifraga om tvarsnittet, behover icke flagon sarskild vinkelorientering, vilket fOrenklar konstruktionen av utrustningen for hanteringen av branslet, forenklar tillverkningen av elementet, minskar pakanningar och i hog grad okar likformigheten ifraga om varmealstringen och ternperaturfOrdelningen. Pa grand av den mera likformiga varmefordelningen i elementet erhalles den erforderliga reaktoreffekten med en ldgre stromningshastighet hos kylmedlet och med mindre pumpeffekt, och med mindre natal brdnsleelement, och avensa blir utbranningen av brdnslet mera likformig, vilket Or av stor betydelse. Resultatet av dessa forbattringar utgores av ldgre kostnader for brdnsleatgangen vid alstring av effekt medelst karnreaktorer.

Av fig. 2 framgar att branslet i elementet Or i form av tvh koncentriska bransleringar 1 och 2, med en mittkarna 3 av klyvbart material och med kapsling 4 med fenor eller flansar 5. Flansarna astadkomma en okad yta for vOrmeoverforingen. Inre och yttre ror 6 och 7 innehalla de tva koncentriska bransleringarna. Tre ringformiga kanaler bildas hdrigenom for kylmedelstromningen, namligen mellan det yttre roret och den yttre brdnsleringen, och denna kanal betecknas 8, och den med 9 betecknade kanalen mellan bransleringarna, samt slutligen den med 10 heteeknade kanalen mellan den inre bransleringen och det inre holjeroret. Moderatormaterialet strommar genom det inre holjertirets inre i utrymmet 11 och bidrar salunda till lika moderatorfordelning och salunda till en flackare flodes- och temperaturfordelning. I stallet for ett cirkulerande moderatormaterial, exempelvis vatten eller kolvaten, kan en fast, solid moderator anvandas. Exempel ph det senare slaget utgores av berylliummetall eller -oxid, och fiiretradesvis en metallhydrid med lhgt tvdrsnitt och hog vatetathet, exempelvis zirkoniumhydrid.

Av fig. 3 framgar att flansarna 5 pa de bhda ytorna hos varje branslering Oro vridna i en svag spiral utefter langden, och en typisk vridning upper darvid till 10°-60° ph en ldngd av 30 cm, varvid en vinkel av ungefar 30° foretrddesvis kommer till anvandning. Delta astadkommer en skruvlinjeformig striimning ay kylmedel genom elementet och kompenserar for de verkningat i form av heta kanaler, som orsakas av variationer I varmealstringen pa grund av en med vinkellaget varierande flodesfordelning runt bransleroret, samt astadkommer vidare aft kylmedlet forblir under langre lid i elementet och Oven orsakar en storre volymetrisk varmebverforing. Vridningen av flansarna pa den inre kapslingen 12 hos den yttre bransleringen 2 och vridningen av flansarna hos den yttre kapslingen 13 hos den inre bransleringen 1 ga vidare i motsatta riktningar, varfor fldnsarna korsa varandra och berdra varandra under en liten vinkel, varigenom rorens koncentriska loge bibehalles och ytterligare stod och sarskiljande av roren erhalles.

Av fig. 1 framgar att de byre och nedre andarna hos det yttre roret 7 Oro ordentligt fastsatta till de byre och nedre gallerfixturerna 14 och 15 hos brdnsleelementet i punkter 16 och 17, vilket sker medelst svetsning eller hardlodning, varvid pa- 162 — pekas att de stodande eller uppbarande fixtUrerna aro typiska men kunna variera i samband -med karnans uppbyggnad. Den rektangulara ovre gallerproppen 14 passar iii i reaktorns ovre gallerplatta 18 och ar konstruerad for att underlatta hanteringen av branslet. Den nedre gallerproppen 15 passar in i den nedre gallerplattan 19, och uppbar dar vikten av bransleelementet. Det inre holjeroret 6 stoder mot en inriktningsuppbyggnad 20 vid den styrande och som ett liv utbildade delen 21. Inriktningsuppbyggnaden star i sin tur I ingrepp med ett styrande liv 22 i proppen 14. De longitudinella andama hos bransleringarna 1 och 2 tackas med andkapslingsproppar 23. En strOmningsreglerande oppning 24 med varierande diameter kan installeras, beroende pa vilka sarskilda fOrhallanden som det är fraga om vid reaktorkonstruktionen, vid bransleelementens nedre andar fOr att minska den totala kylmedelstrOmningen genom karnan eller for att begransa stromningen genom de nedre omradena av harden, dar varmealstringen vanligtvis sjunker pa grand av flodesfall i radiell led. En annan oppning 25 kan anvandas som en inre moderatorstyrning. Kylmedelstromningen sker vid den visade tilllampningen nedat genom elementet, men en uppatriktad stromning kan likasa anvandas.

Bransleringens karna kan med fiirdel omfatta varje slag av klyvbart uran eller plutonium, exempelvis sjalva metallen, legeringar eller keramiska blandningar, och nar det i denna beskriv"ling talas om »branslev eller »klyvbart material» fir avsikten att omfatta de ovan angivna slagen. Icke begransande exempel Oro uran eller plutonium i form av metall, torium- uran-legeringar, torium-uran-oxid, urandioxid, eldfasta keramiska blandningar, exempelvis urankarbid och nitrid, samt legeringar sadana som uran-molybden.

Kapslingsmaterialet for bransleringarna och holjeroren kunna likasa med framgang valjas bland ett antal metaller och legeringar, vilka foretradesvis men icke nodvandigtvis ha ett relativt lagt termiskt neutronabsorptionstvarsnitt. Anvandningen av ett visst material Or icke av kritisk betydelse och i denna beskrivning anvandes begreppen »kapsling» eller »kapslad» i den ovanstaende betydelsen. Tillfredsstallande exempel utgoras av aluminium, zirkonium, zirkoniumlegeringar, exempelvis zirkalloy (innehaller ungefar 1,5 °,/, tenn) samt rostfritt stOl, sarskilt sadant som tillhor den s. k. 300-serien, exempelvis typerna 304 och 307. Andra brukbara kapslingsmaterial utgiiras av titan, volfram, magnesium och dessas legeringar, samt Inconel och andra nickel-kromlegeringar. Eftersom kapslingen liar flansar eller tandningar, foredrages aluminium som kapsling, eftersom det latt kan strangpressas, gjutas eller pressas till den onskade flansformen, liksom pa grund av att det har lagt termiskt neutronabsorptionstvarsnitt, Or billigt och latt bearb etb art.

Fyra strangpressningar av aluminium erfordras (tva for varje branslering) och dessa Oro sldta pa den mot branslet liggande sidan och forsedda med flansar pa den andra sidan. Den av aluminium eller annat material bestaende kapslingen kan pa metallurgisk vag latt forenas med den rorformiga branslekarnan genom exempelvis varmpressning. For att hindra diffusion mellan den av uranmetall eller -legering bestaende karnan och aluminiumkapslingen, ndr sadan anvandes, vilket skulle kunna resultera i en icke onskvard bildning av UAL, kan ett tint skikt (exempelvis med en tjocklek av c:a 0,13 mm) av ett diffusionshindrande material, exempelvis nickel, palaggas uranmaterialet genom elektroplatering eller ph kemisk vag. Den strangpressade aluminiumdetalj en passas darefter in Over uranriiret och varmpressas for att bilda ett metallurgiskt forband. Enligt en alternativ metod kan aluminium genom elektroplatering palaggas urandetaljen, eller ocksa kan ett slatt ror av aluminium inpassas runt kapslingen och darefter flansar astadkommas i aluminiumrtiret genom varmpressning med en med tander forsedd stampel, vilken pa samma gang astadkommer det metallurgiska forbandet I varje fall Or tillverkningen jamforelsevis latt och kan ske medelst ett antal olika metoder, som icke nagondera Or sarskilt kritisk.

Den efterfoljande tabellen lamnas for att belysa uppfinningen och far icke uppfattas sasom nagon begransning av densamma. Typiska dimensioner hos ett tillfredsstallande bransleelement angivas liksom aven konstruktionsparametrarna hos en organiskt modererad reaktor, i vilken det anvandes. Det Or dock att lagga marke till att siffrorna icke Oro kritiska och att bransleelementet kan anvandas i andra organiskt modererade reaktorkonstruktioner, liksom med andra kylmedel, exempelvis vatten, eftersom det Or fraga om samma hansynstaganden.

Tabell. 1. Reaktorn.

Reaktoreffekt 45,5 MW Termiskt neutronfltide i branslet (medeltal) 1,4 x 13n1 cm2/s Termiskt neutronflode i branslet (maximum) 4,5 x 10'3n/ cma/s FOrhallande toppflode/medelflode Radiellt 1,60 Axiellt 1,53 U2" (ingaende mangd) 118 kg Karnans geometriska form flak cirkular cylinder Forhallandet langd/diameter hos karnan 1,23 Karnans diameter 1524 mm Effektiv multiplikationskonstant (het och ren) 1,06 Reaktivitetens temp eraturkoeffici- cient (total vid 387° C) —10,3 x x -1°C Utbranning per bransleelemenl, (me- deltal) 325 MW dygn f.

Karnans sammansattning Kylmedel-moderator (terfenyl) . . 67,7 volym % Uranlegering , 17,5 volym % . Aluminium 12,3 volym % Rostfritt stal . . ... ... ... . 2,5 volym % Overskottsreaktivitet (total, het och ren) 5,1 % Kall till het 1,4 % Jamvikt (Xe Sm) 3,1 % Avdrag for utbranning 1,0 % Reglerings 1,0 % Bransleelement.

Typ Koncen- triska ror Antal 78 Rik per element 2 Kapslingsmaterial och tjocklek . . 0,89 mm Al med flansar Elementets ytterdiameter 133 ram Elementets innerdiameter 79 mm Branslerorets tjocklek 5,3 mm Bransleholjets material och tjocklek 0,76 mm rostfritt stal Branslelegering 3,5 vikt % Mo-U legering Uran 235, anrikningsgrad 1,8 % Bransleelementets verksamma langd 1370 mm Bransleelementets totala langd . . . 1870 mm Styrelement.

Konfiguration Cylindrar Antal 7 Total mangd (6 stavar vid en radie av 407 mm samt en mittstav) . . 10 % Stavdiameter 127 mm Verksam langd 1215 mm Stavforflyttning (Over den verk- samma hardens botten) 1215 mm Utdragningshastighet (maximal) . 4,5 mmls Styrmaterial B3.0 Styrstavens sammansattning Borstal eller B4C VLrmeoverforing.

Kylmedel Terfenyl Antal slingor 2.

Total stromningshastighet 2,5 x 6 kg/h Reaktorns inloppstemperatur 273° C Reaktorns utloppstemperatur 302° C Temperaturhojning hos kylmedlet i harden i medeltal (full eff.) 29° C Kylsystemet, konstruktionstryck . 21 kg/cm2 abs.

Normalt arbetstryck (inlopp till hardbehallaren) 8,5 kg/cm2 abs.

Kyhnedelhastighet genom bransle- elementet (maximum) 4,45 m/s Varmestrom, i harden: (medelvarde) 93500 kg- kal/h/m2 Varmestrom i harden (maximivarde) 430000 kg kal/h/mz Tryckfall i harden 2,19 kg/cm2 Varmeoverf oringsko efficient 5750 kg kal/h/m21°C Reaktortanken.

Konstruktionstryck 21 kg/cm2 abs.

Total langd 8200 mm Ytterdiameter 2080 mm Innerdiameter 1978 mm Tjocklek 50,8 mm Material SA. 212/kol- stal Reaktorns termiska skarm.

Material SA 212/kol- stal Innerskarmens tj ocklek 38 mm Ytterskarmens tjocklek 108 mm Reaktorns biologiska skarm.

Material vanlig betong Tj ocklek 2350 mm Reaktorns kylmedelsystem.

Huvudpumpens for kylmedlet ka- pacitet (en i varje slinga) . . . 23000 1/min (i varje) Tryckpump ens striimningshastighet (normalt) 760 1/mill StrOmningsbastighet f Or reningen (maximalt) 89 kg/h Kylmedeltillsattning (vid full effekt) 26,5 kg/h Matningspumparnas kapacitet (2 St.). 38 1/min (totalt) Kylmedelvolymen i systemet 40000 1 (totalt) Kylmedelvolym i varje huvudkyl- medelslinga 7600 1 A.ngalstringen.

Kylmedelstrom till varje anggene- rator 1,25 x 6 kg/h Kylmedeltemperatur vid intradet i overhe t Laren 302° C Temperaturf all hos kylmedlet i Over- hettaren 1,7° C Kylmedeltemperatur vid intradet i pannan 300° C Temperaturf all hos kylmedlet i pan- nan Kylmedeltemperatur vid utgangen frail pannan 273° C Matarvattentemperaturen vid in- ga.ngen i pannan 131° C Ingtrycket i pannan 31,7 kg/cm2 abs. (mattad anga) 37°C — — Angtemperaturen vid avgangen fran overhettaren 288° C Angflode frail vane anggenerator 34000 kg/h Varmeeffekten hos pannan 18,2 x 6 kg kalih Varmeeffekten hos overhettaren 1,26 x 6 kg kalih

Claims (2)

Patentansprak:

1. Bransleelement for en karnreaktor, Jannetecknat av att ett inre och ett yttre cylindriskt holje, vilka aro koncentriska med varandra, atminstone tva koncentriskt Indian holiena anbragta branslecylindrar, vilka innehalla vardera en karna av klyvbart material med in- och utvandiga kapslingar darpa, varvid kapslingarna aro forsedda med ett flertal langs med branslecylindrarna sig strackande flansar utformade i ett stycke med kapslingarna, vilka flansar bilda stodorgan och kontinuerliga koncentriska distansorgan for branslecylindrarna och holjena, varjamte holjena, branslecylindrarna och flansarna begransa ett flertal kanaler for stromning av ett kylmedel och det inre holjet bildar en axiell kanal for strOmning av en moderator.

2. Bransleelement enligt patentanspraket 1, kannetecknat av att flansarna aro skruvformigt vridna med motsatt stigningsriktning pa mot varandra staende flansar pa narliggande bransleelement, sâ att flansama pa narliggande branslecylindrar korsa varandra. Anforda publikationer: Patentskrifter fain Tyskland 1 041 174, 1 041 175, 1 041 178, 1 042 774. Andra publikationer: United Nations international conference on the peaceful uses of atomic energy. 2. 1958. Geneva. Proceedings. Vol. 11. Geneva 1958, p. 194, fig. 1.