SE417029B

SE417029B - BRIDGE REACTOR WITH LIQUID SODIUM AS A COOLANT INCLUDING A REACTOR SHEET WHICH IS PROVIDED SAVEL FISSILED MATERIAL AS FERTILIZED MATERIAL

Info

Publication number: SE417029B
Application number: SE7801421A
Authority: SE
Inventors: K M Jirlow
Original assignee: Atomenergi Ab
Priority date: 1978-02-07
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1981-02-16
Also published as: SE7801421L

Description

40 7801421-'4 är placerade. Andra mer komplicerade geometrier är också aktuella t ex en uppdelning av kärnan i axiell led. 40 7801421-'4 are located. Other more complicated geometries are also relevant, such as a division of the core in the axial direction.

Analysen av den heterogena härdkonstruktíonen har klart visat att avsevärd ökning av bridvinsten kan uppnås till priset av höjd anrikningsnivâ i de fissila zonerna samt en liten, i bästa fall försumbar, ökning av fissilinventariet i härden. En annan fördel är en reducerad snabbneutrondos i bränslet vid samma ut- bränning. Ytterligare, minde väl bevisade fördelar, som brukar framhållas från fransk sida, är låg reaktivitetsändring med ut- bränningen och dessutom en jämnare effektfördelning samt möjlig- het att använda endast en anrikningsgrad (omkring 25 %) i de fissila zonerna.The analysis of the heterogeneous core construction has clearly shown that a significant increase in bridging gain can be achieved at the cost of increased enrichment level in the fissile zones and a small, at best negligible, increase in the fissile inventory in the core. Another advantage is a reduced rapid neutron dose in the fuel during the same burn-out. Additional, less well-proven advantages, which are usually emphasized by the French side, are low reactivity change with the burn-out and also a more even power distribution and the possibility of using only one degree of enrichment (about 25%) in the fissile zones.

En övergång till en heterogen härd beräknas ge ungefär en för- dubbling av bridvinsten, men samtidigt tyder vissa preliminära härdberäkningar på en ökning av Pu-inventariet. Enligt gängse fransk uppfattning är denna ökning ringa, varför en radikal förbättring i bridprestanda kan förväntas med den heterogena härd- geometrin.A transition to a heterogeneous hearth is expected to roughly double the bridge gain, but at the same time some preliminary hearth calculations indicate an increase in the Pu inventory. In the current French view, this increase is small, which is why a radical improvement in bridging performance can be expected with the heterogeneous core geometry.

En annan fördel, som utgör huvudskälet till det engelska och tyska intresset för heterogena härdar, är den avsevärt lägre reaktivitetseffekten vid voidbildning i kylmedlet genom kokning i natriet.Another advantage, which is the main reason for the English and German interest in heterogeneous hearths, is the considerably lower reactivity effect in void formation in the refrigerant by boiling in sodium.

Från engelskt och tyskt håll betonas särskilt den heterogena härdens lägre maximala positiva natriumvoidreaktivitet, vilken innebär lägre energifrigörelser vid härdnedsmältningsolyckor.From the English and German point of view, particular emphasis is placed on the lower maximum positive sodium void reactivity of the heterogeneous hearth, which means lower energy releases in the event of hearth melting accidents.

Den senare effekten orsakar en relativ förstärkning av den negativa reaktivitetsåterkopplingen i den natriumkylda bridern, vilket starkt förbättrar briderns inherenta säkerhet. Heterogeni- teten i härden ger dock också en mindre (negativ) Dopplerkoeffi- cient, vilken verkar i motsatt riktning. Vidare förutses en starkt ökat inkoherens i möjliga kokningsförlopp i härden, vilket skulle kunna göra wholecore-nedsmältningar omöjliga.The latter effect causes a relative amplification of the negative reactivity feedback in the sodium-cooled bridle, which greatly improves the bridle's inherent safety. However, the heterogeneity in the core also gives a smaller (negative) Doppler coefficient, which acts in the opposite direction. Furthermore, a greatly increased incoherence is predicted in possible boiling processes in the core, which could make wholecore melting impossible.

Den heterogena härden synes ha vissa svåra problem, bl a starka anti-shadow-effekter mellan styrstavar, och extremt känslig effektfördelning med avseende på utbränning och styrstavsrörelser.The heterogeneous core appears to have some severe problems, including strong anti-shadow effects between control rods, and extremely sensitive power distribution with respect to burnout and control rod movements.

Hos den "konventionella" heterogena reaktorn är det en nackdel EÉÉ <É§_f1_.___ha¥"___1?*'å_tYPe? êvﬁlïêlknippen i är -. fieeila element (fuel. assemblies) och fertila element (internal breeder elements). En annan och allvarlig nackdel är att det utgående natriets temperatur är lägre och maximala kapslingstemperaturen är högre än för den traditionella homogena bridern. 40 78Û1lr21'4 Dessa nackdelar undviks med reaktorn enligt uppfinningen, i vilken endast en typ av stavknippen används. Reaktorn enligt upp- finningen är kånnetecknad därav att reaktorhärden är sammansatt av bränsleelement som innehåller både fissilt och fertilt material, varvid varje sådant bränsleelement innehåller en av fissilt material bestående zon som sträcker sig i huvudsak från härdens mittplan i riktning mot bränsleelementets första ände, och en av fertilt material bestående zon som sträcker sig i huvudsak från härdens mittplan i riktning mot brånsleelementets andra ände, och varvid i huvudsak halva antalet bränsleelement har den fissila zonen belägen över härdens mittplan, och i huvudsak halva antalet bränsleelement har den fissila zonen belägen under härdens mitt- plan.In the "conventional" heterogeneous reactor there is a disadvantage EÉÉ <É§_f1 _.___ ha ¥ "___ 1? * 'Å_tYPe? Êv ﬁ lïêlknippen i är -. Fieeila elements (fuel. Assemblies) and fertile elements (internal breeder elements). Another and A serious disadvantage is that the temperature of the outgoing sodium is lower and the maximum encapsulation temperature is higher than for the traditional homogeneous bridge.48 78Û1lr21'4 These disadvantages are avoided with the reactor according to the invention, in which only one type of rod bundle is used. in that the reactor core is composed of fuel elements containing both fissile and fertile material, each such fuel element containing a zone consisting of fissile material extending substantially from the center plane of the core towards the first end of the fuel element, and a zone consisting of fertile material extending substantially from the center plane of the core in the direction of the other end of the fuel element, and wherein substantially half the number of fuels The fissile zone has the fissile zone located above the center plane of the core, and essentially half the number of fuel elements has the fissile zone located below the center plane of the core.

Enär termerna fissilt material och fertilt material är väl- kända för fackmannen skall här endast i korthet nämnas att vi med fissilt material menar ett för en snabb reaktor avsett kärnbränsle som innehåller en avsevärd mängd fissilt material, vanligen -30 %. De klyvhara grundämnena kan utgöras av plutonium eller U233 eller U255. Med fertilt material avser vi ett material som vid neutron-bestrålning i reaktorn alstrar klyvbart material. Det fertila materialet skall till övervägande del bestå av fertilt material, men kan även innehålla en liten mängd fissilt material.Since the terms fissile material and fertile material are well known to those skilled in the art, it should only be mentioned here briefly that by fissile material we mean a nuclear fuel intended for a fast reactor that contains a considerable amount of fissile material, usually -30%. The fissile elements may be plutonium or U233 or U255. By fertile material we mean a material which, when neutron irradiated in the reactor, produces fissile material. The fertile material should predominantly consist of fertile material, but may also contain a small amount of fissile material.

Med fertilt material avser vi främst naturligt eller utarmat uran, eller torium.By fertile material we mean mainly natural or depleted uranium, or thorium.

Vi har ovan redogjort för fördelar och nackdelar med den heterogena härden relativt den konventionella, homogena härden, i vilken alla fertila bränslezoner ligger utanför och omsluter de fissila.zonerna. En homogen härd innehåller vanligen två koncentriska fissila zoner med skilda anrikningar. Vi De heterogena härdar som hittills föreslagits eller studerats är "heterogena" i radiell riktning d v s de innehåller en eller flera axiella genomgående, fertila zoner som omslutes av de fissila zonerna i radiell led. Vanligen är dessa interna fertila zoner koncentriska, cylindriska regioner. Gemensamt för dessa heterogena härdar år att både de físsila och fertila core-zonerna är axiellt symmetriska med avseende på ett visst horisontellt mittplan.We have described above the advantages and disadvantages of the heterogeneous core relative to the conventional, homogeneous core, in which all fertile fuel zones lie outside and enclose the fissile zones. A homogeneous core usually contains two concentric fissile zones with different enrichments. We The heterogeneous hearths hitherto proposed or studied are "heterogeneous" in the radial direction, i.e. they contain one or more axial continuous, fertile zones which are enclosed by the fissile zones in the radial direction. Usually, these internal fertile zones are concentric, cylindrical regions. Common to these heterogeneous cures is that both the fissile and fertile core zones are axially symmetrical with respect to a certain horizontal center plane.

Den heterogena härd, vars formgivning utgör uppfinningen, har inget horisontellt symmetríplan - den saknar axiell symmetri och härden utmärkas av att de fissila (och också de fertila) härd- zonerna befinner sig på olika axiella nivåer. 50 40 78014214. i v I härden enligt uppfinningen befinner sig de fissila zonerna ömsom helt ovanför och ömsom helt nedanför ett horison- tellt plan nära härdens axiella mitt, när vi går utåt i radiell led. Härden enligt uppfinningen utmärkes av att bränsleelementen (innanför höljet) är lika inbördes med undantag för att stav- knippena i höljerören är i vissa element vända nedåt och i övriga vända uppåt.The heterogeneous core, whose design constitutes the invention, has no horizontal plane of symmetry - it lacks axial symmetry and the core is characterized by the fact that the fissile (and also the fertile) core zones are at different axial levels. 50 40 78014214. i v In the core according to the invention, the fissile zones are alternately completely above and alternately completely below a horizontal plane near the axial center of the core, when we go outwards in radial direction. The core according to the invention is characterized in that the fuel elements (inside the housing) are equal to each other, except that in some elements the rod bundles in the housing tubes face downwards and in others face upwards.

Härden enligt uppfinningen har (per definition) alltid en genomsnittlig volymandel fissilt bränsle på 50 % av totala corefre- _gio_nen, 'medan den "vanliga" heterogena härden har väsentligt större. Härden enligt uppfinningen är med andra ord mera extremt högre härdhöjd för samma större totaleffekt vid samma heterogen men tillåter en avsevärt patronlängd och därmed i praktiken härddiameter.The core according to the invention always has (by definition) an average volume fraction of fissile fuel of 50% of the total core frequency, while the "ordinary" heterogeneous core has a substantially larger one. In other words, the core according to the invention is more extremely higher core height for the same greater total power at the same heterogeneous but allows a considerable cartridge length and thus in practice core diameter.

Härden enligt uppfinningun hur summa Fövdular relativt den homogena som den heterogena men dessa är förstärkta d v s den nya härddesignen har mycket hög bridvinst och mycket låg voideffekt.The hearth according to the invention how sum Fövdular relative to the homogeneous as the heterogeneous but these are reinforced i.e. the new hearth design has very high bridging gain and very low void effect.

Relativt den heterogena härden har den följande tunga fördelar: a) två typer av stavknippen i det heterogena fallet, utgående natriumtemperatur blir densamma för alla härdelement vid fasta strypningar och därmed blir utgående Na-medeltemperatur 7 20-3000 högre än i en konventionell heterogen härd, b) vid haveriförlopp med Na-kokning voidas initialt en eller flera närliggande element. I praktiken innebär detta att en void- region av endast halva härdhöjden blir avgörnade för reaktivi- tetsförloppet, vilket därför ger en lägre effekttransient, d) genom att de fissila zonerna gränsar till varandra i mittplanet är kopplingen via neutrontransport klart bättre än i den hetero- gena härden. Detta leder till en förbättrad stabilitet i effekt- fördelningen, en utbredd bränslenedsmältning vid totalt kylmedelsstopp och på- följande kokning kan med liten sannolikhet endast inträffa i den nedre halvan av härden genom att den nxiellu nffektprofílen är asymmetrisk och lätt tilldelas ett maximivördc i denna härddel. En därpå följ ande sekundär kriticitet är därför inte möjlig. Stora härd- smältningsolyckor med mekanisk energifrígörelse är således uteslutna, de två skilda axiella nivåerna av de fissila zonerna gör det möjligt att relativt enkelt utnyttja differentiell axiell termisk expansion mellan zonerna för att få prompt stor reaktivitetsminskning vid ökande temperatur, vilket väsentligt förbättrar den inherenta säkerheten. e) f) Samma bränslestavknippen används i hela härdregionen i stället för HO '78Û1h214e Uppfinningen förklaras i det följande under hänvisningen till ritningen. Fig. l och 2 visar schematiskt två bränsleelement enligt uppfinningen. Fig. 3 visar schematiskt ett vertikalt snitt genom en härd enligt uppfinningen. Fig. Ä visar ett snitt genom linjen IV>IV i Fig. 2.Relative to the heterogeneous core, it has the following heavy advantages: a) two types of rod bundles in the heterogeneous case, the output sodium temperature becomes the same for all hardener elements at fixed throttles and thus the output Na average temperature becomes 20-3000 higher than in a conventional heterogeneous core, b) in the event of an accident with Na-boiling, one or more adjacent elements are initially void. In practice, this means that a void region of only half the core height is determined for the course of reactivity, which therefore gives a lower power transient, d) because the fissile zones adjoin each other in the midplane, the coupling via neutron transport is clearly better than in the heterogeneous gene hearth. This leads to an improved stability in the power distribution, a widespread fuel melting at a total coolant stop and subsequent boiling can with little probability occur only in the lower half of the core by the nxial effect profile being asymmetrical and easily assigned a maximum value in this core part. A subsequent secondary criticism is therefore not possible. Large core melting accidents with mechanical energy release are thus excluded, the two different axial levels of the fissile zones make it possible to utilize differential axial thermal expansion between the zones relatively easily to obtain a prompt large reactivity decrease with increasing temperature, which significantly improves inherent safety. e) f) The same fuel rod bundles are used throughout the core region instead of HO '78 Û1h214e. The invention is explained in the following with reference to the drawing. Figs. 1 and 2 schematically show two fuel elements according to the invention. Fig. 3 schematically shows a vertical section through a hearth according to the invention. Fig. Ä shows a section through the line IV> IV in Fig. 2.

Bränsleelementet enligt Fig. 1 har ett hölje 1 med en tvär- snittsform av en reguljär hexaeder. Höljet innehåller ett flertal längsgående stavar 2, och är öppet upptill och nedtill så att stavarna kyls av det flytande natrium som strömmar genom bränsle- elementet under reaktorns drift. Stavarna i den undre delen H av ' elementet,_ från elementets mittplan 3 och nedåt, innehåller fertilt material. Stavarna i en zon 5 från mittplanet 3 till nära elementets övre ändeinnehäller fissiltmaterial. Stavarna i den övre zonen 6 av elementet immmålLa=-fertilt material.The fuel element according to Fig. 1 has a housing 1 with a cross-sectional shape of a regular hexahedron. The housing contains a plurality of longitudinal rods 2, and is open at the top and bottom so that the rods are cooled by the liquid sodium flowing through the fuel element during operation of the reactor. The rods in the lower part H of the element, _ from the middle plane 3 of the element and downwards, contain fertile material. The rods in a zone 5 from the central plane 3 to near the upper end of the element contain fissile material. The rods in the upper zone 6 of the element immmålLa = -fertile material.

Bränsleelementet enligt Fig. 2 skiljer sig från elementet enligt Fig. 1 däri att zonen 9 av fissilt material sträcker sig från mittplanet 7 nedåt till nära elementets undre ände. Den undre zonen 10 innehåller fertilt material, liksom den övre zonen 8, från mittplanet 7 till elementets övre ände.The fuel element according to Fig. 2 differs from the element according to Fig. 1 in that the zone 9 of fissile material extends from the central plane 7 downwards to near the lower end of the element. The lower zone 10 contains fertile material, as well as the upper zone 8, from the central plane 7 to the upper end of the element.

Genom att kombinera ett flertal bränsleelement enligt Fig. l med ett ungefär lika stort antal bränsleelement enligt Fig. 2 kan man bilda en reaktorhärd i vilken det fissila materialet och det fertila materialet har varje önskad placering. Vi föredrar att placera så många bränsleelement av vardera slaget tillsammans, att de bildar ett skikt med en tjocklek av 30-HO cm. Speciellt föredrar vi att utforma dessa skikt som ringar som sträcker sig koaxiellt i härden. Varje ring får då en tjocklek i radiell led av 30-40 cm.By combining a plurality of fuel elements according to Fig. 1 with an approximately equal number of fuel elements according to Fig. 2, a reactor core can be formed in which the fissile material and the fertile material have each desired location. We prefer to place so many fuel elements of each type together that they form a layer with a thickness of 30-HO cm. We especially prefer to design these layers as rings that extend coaxially in the core. Each ring then has a radial thickness of 30-40 cm.

Hur detta kan utföras framgår av Fig. 3 och M.How this can be done is shown in Fig. 3 and M.

I utförandet enligt Fig. 5 och U har bränsleelement anordnats i sex ringar 12-17 som sträcker sig koaxiellt med den cylindriska reaktorhärdens centrumaxel ll. Ringarna 12, lä och 16 innehåller bränsleelement enligt Fig. 2, d v s det fissila materialet ligger under härdens mittplan 18. Ringarna 15 och 15 innehåller bränsle- element enligt Fig. 1, d v s det fissila materialet ligger över härdens mittplan. Med "härd" avses här den zon i reaktorn som inne- håller det fissila och det fertila materialet. Ringen 17 innehåller endast element som består av fertilt material. Reglerstavar är på känt sätt anordnade i de kanaler med sexsidigt tvärsnitt som i Fig. U är betecknade 19.In the embodiment according to Figs. 5 and U, fuel elements have been arranged in six rings 12-17 which extend coaxially with the center axis 11 of the cylindrical reactor core. The rings 12, lä and 16 contain fuel elements according to Fig. 2, i.e. the fissile material lies below the central plane of the core 18. The rings 15 and 15 contain fuel elements according to Fig. 1, i.e. the fissile material lies above the central plane of the hearth. By "core" is meant here the zone in the reactor which contains the fissile and the fertile material. The ring 17 contains only elements consisting of fertile material. Control rods are arranged in a known manner in the channels with a six-sided cross-section which in Fig. U are designated 19.

Claims

1. 78014214; Patent liner reactor with liquid sodium as coolant, containing a reactor core in which both fissile material and fertile material are arranged, characterized in that the reactor core is composed of fuel elements containing both fissile and fertile material, each such fuel element contains a zone consisting of fissile material extending substantially from the horizontal central plane of the core to the first end of the fuel element, and a zone consisting of fertile material extending substantially from the horizontal central plane of the core to the other end of the fuel element, and substantially half the number Fuel elements have the fissile zone located above the center plane of the core, and essentially half the number of fuel elements have the fissile zone located below the center plane of the core.

2. A bridging reactor according to claim 1, characterized in that a zone consisting of fertile material is arranged also at the first end of the fuel element. MENTIONED PUBLICATIONS: