SE436809B - Brenslepatron for anvendning i en med tryckvatten modererad och kyld snabb bridkernreaktor - Google Patents

Description

7806955-6 2 H0 Tungt vatten, deuteriumoxid (D20), har i huvudsak samma fysikaliska och kemiska egenskaper som lätt vatten (H20). Dess nukleära egenskaper är dock olika, sålunda är absorptionstvär- snittet och neutronbromsförmågan hos D20 markant mindre än för H20. Användning av D20 såsom kylmedium i en snabb bridreaktor är därför önskvärd på grund av dess nukleära data och på grund av användbarheten av tryckvattenteknologin. I ett reaktorsystem med plutonium-uranium-deuteriumoxid (Pu-U-D20) är det vid mins- kande förhållande mellan kylmedium och bränsleatom känt att kon- versions- eller bridförhållandet ökar. Bridförhâllandet är för- hållandet mellan antalet alstrade fissila atomer och förbrukade sådana. Ett högt bridförhållande, som närmar sig värdet 1,40, kan realiserad i ett Pu-U-D20-system, om en bränslegittergeometri utvecklas, i vilken förhållandet mellan moderator och bränsle justeras till att ge atomförhållanden mellan moderator och bräns- le som närmar sig 1,0 eller mindre. Eftersom valet av atomförhål- landet mellan moderator och bränsle definierar volymen av kyl- medel per massenhet av bränsle, inser man att svårigheter upp- står vid konstruktion av ett bränslestavgitter som kan genom- släppa tillräcklig mängd kylmedel vid lågt förhållande mellan moderator och bränsle. De höga flödesmängder som erfordras för att tillförsäkra tillräcklig kylning av reaktorkärnan gör det nödvändigt att använda höga hastigheter i kylmediekanalerna, vilka är märkbart begränsade när man när ett litet förhållande mellan moderator och bränsle. I ett bränsleelementgitter med små avstånd mellan bränslestavarna är användningen av konventio- nella spridaranordningar ofördelaktiga, eftersom de på grund av de insatta spridarna begränsar möjligheterna till packning av bränslestavarna, vidare ger en tendens till uppkomst av vibra- tioner i spridarna, orsakat av flödet, vidare uppkommer parasi- tisk absorption i materialet i spridarna och slutligen ökas de hydrauliska tryckförluster som uppkommer på grund av de insatta spridarna genom begränsningen av flödespassagerna.

Kända konstruktioner av reaktorer som är modererade och kylda med tungt vatten avser speciella stavdiametrar och stav- mellanrum inom ett atomförhållande mellan moderator och bränsle som sträcker sig från 0,35 till 4,0 och föreslår särskilt att ett atomförhållande mellan moderator och bränsle av approxima- tivt 0,3 kan åstadkommas i ett bränslestavgitter som använder berörande bränslestavar anordnade i ett triangulärt mönster.

H0 3 É 7806955-6 En reducering av värmeflödet till en nivå som är nödvändig för att man skall undvika potentiella förstörande värmepunkter vid kontaktställen mellan bränslestavar skulle dock allvarligt be- gränsa driftdugligheten för en sådan reaktorkärna vid användning i en tryckvattenreaktor. Vidare skulle allt för tät placering av bränslestavarna kunna leda till igensättning på grund av fas- ta partiklar som medföljde kylmedlet, varjämte avskräckande höga effektkrav skulle ställas på pumputrustningen för reaktorkylmed- let. Även andra svårigheter kan utan vidare inses. Dels är en eliminering av spridargíttren önskvärd för möjliggörande av höga kylmedelshastigheter, så att man kan uppnå de atomförhållanden mellan moderator och bränsle som närmar sig det höga konversions-' förhållandet för de berörande bränslestavarna. Dels kan elimine- ring av spridargittren resultera i onoggranna inbördes avstånd mellan bränslestavarna, och till vibrationer förorsakade av flödet och till ojämn kylning.

Enligt uppfinningen elimineras nackdelarna vid den kända tekniken på ett effektivt sätt genom de åtgärder som är redovi- sade i den kännetecknande delen av bifogade patentkrav 1. En bränslepatron enligt uppfinningen är sålunda försedd med fenför- sedda kapslingsrör som är anordnade att bilda en sammanhängande bränslepatron genom hoplödning av kontinuerliga eller avbrutna fenor på ett kapslingsrör med fenor på andra kapslingsrör. Den sålunda sammanlödda bränslepatronen med fenförsedda kapslings- rör är dimensionerad att svara mot termiska och hydrauliska krav hos ett mycket tätt gitter, vilket erfordras för att de största bridförhållandena skall kunna uppnås.

Enligt ett alternativt utförande är fenorna på vissa kaps- lingsrör direkt anslutna till rördelen på andra kapslingsrör så att den resulterande bränslepatronen har ett volymförhållan- de mellan moderator och bränsle som tenderar till att öka brid- förhållandet i en Pu-U-D20-reaktorkärna.

Vid ett ytterligare utförande enligt uppfinningen är kärnan tillverkad av solitt material med upptagna kanaler, som omväx- lande lämpar sig för kvlmedel och för bränsleinneslutning.

Genom utnyttjande av uppfinningen elimineras nackdelarna vid den kända tekniken och åstadkommas möjligheter att erhålla förhållanden mellan moderator och bränsle som kan ge en Pu-U-D20-reaktor högt bridförhållande under samtidigt tillför- säkrande av tillräcklig delning mellan bränslestavarna utan 7soe9ss-6 H H0 parasitförluster av del slag som kan uppträda vid användning av kända spridargilter. Vidare eliminerar un anordning enligt upp- finningen hydrauliska tryckförluster som kan uppkomma vid kända spridargitter, samtidigt som tendensen till vibrationer hos bräns- lestavarna minskas. De fenförsedda bränslestavarna ökar dessutom styrkan av dessa stavar, ökar den tillgängliga värmeöverföríngs- ytan och förbättrar allmänt värmeöverföringskoefficienten.

Uppfinningen skall närmare förklaras i anslutning till fi- gurerna på bifogade ritningar, varvid fig. 1 visar en delgenom- skärning av en bränslepatron, fig¿_2 visar en sidovy i utdrag av ett antal fenförsedda bränslestavar, anordnade enligt en förs- ta alternativ utföríngsform av uppfinningen, fig¿_§ visar en sidovy i utdrag av ett antal bränslestavar anordnade enligt ett andra alternativt utförande av uppfinningen. I fig. 4 visas i bruten delgenomskärning en del av en bränslepatron med bränsle- ' stavar anordnade enligt en annan utföringsform av uppfinningen» Fig. 1 visar en delgenomskärning av en bränslepatron 10 med tätt packade bränslestavar 11 anordnade enligt ett mönster, i vilket längdaxlarna ligger parallellt. Varje bränslestav 11 har den i huvudsak rörformig kapsling 12, vilken är försedd med ett flertal utskjutande fenor 13, vilka är formade som delar av den yttre ytan av kapslingen och som är fördelade utmed dennas om- krets. Kärnbränsle lh, bestående av en blandning av fissilt och fertilt material är inneslutet i kapslingen 12. Bränslestavarna 11 i fig. 1 är så anordnade att den yttre ändytan på varje fena 13A stöter emot den yttre ändytan av en fena 13B på en angrän- sande bränslestav. Fenor på de periferiellt liggande bränsle- stavarna kan ligga an mot ett höljesrör 15 för bränslepatronen. Ändytorna på de fenor som visas i fig. 1 är förbundna med var- andra och med höljesröret med hjälp av hårdlödning 15, 17, så att en sammanhållen bränslepatron 10 erhålles.

Enligt en utföringsform sträcker sig fenorna 13 utan av- ,brott längs ytan av brünslestavarna och bildar kanaler 20 i mel- lanrummet mellan bränslcstavarna. Genom dessa kanaler kan kyl- medel för reaktorn flyta (icke visat). Dessa kanaler förlöper i allmänhet parallellt med centrumlinjvrna i bränslestavarna. Fe- sig kontinuerligt längs hela norna 13 behöver dock inte sträcka bränslestavarnnu längd utan kan bvstfi av korta fendelar 21, 7806955-6 enligt vad som visas i fig. 2 och 3, varigenom tvärgàende flöde och blandning av kylmedlet kan erhållas i mellanrummen mellan hränslestavarna. De axiellt avbrutna fenorna 21 hos angränsande bränslestavar kan hârdlödas till varandra enligt vad som visas vid 22 i fig. 2 eller direkt vid kapslingsröret hos bränslesta- ven, enligt vad som visas vid 23 i fig. 3. En bränslepatron kan även framställas som använder en kombination av anordningarna enligt fig. 2 och 3, dvs fenor som ligger i kontakt med varandra och fenor som ligger i kontakt med kapslingsrör.

En fenfórsedd bränslestav 26 som använder breda fenor 2U, vilka är hårdlödda med varandra vid 25, visas i fig. 4. Breda fenor kan användas för att ytterligare begränsa moderatorvolyms- andelen med något uppoffrande av specifik kärneffekt.

Eliminering av konventionella spridargitter och anordnan- dcr av fenor såsom delar av bränslestavskapslingen tillåter re- ducering av reaktorkärnans moderatorvolymandel till värden som svarar mot önskade atomförhållanden mellan moderator och bränsle.

Typiska fysikaliska konstruktionsparametrar anges i följande tabell I.

Tabell I Efiilaal. __1__ L __?__ Bränslestavdiameter, cm 0,889 1,016 1,016 Bränslestavdelning, cm 0,991 1,092 1,092 Kapslingstjocklek, cm 0,038 0,051 0,051 Kapslingsmaterial Incoloy Rostfritt Rostfritt 800 stål 316 stål 316 Delning - diameter, cm 0,102 0,076 0,076 Antal fenor per stav 6 3 3 Fenhöjd, cm 0,051 0,076 0,076 Fenbredd, cm 0,051 0,076 0,076 Fenavbrott, % av längd 0 0 30 Bränslevolymandel 0,6105 0,635? 0,635? Materialandel 0,1381 0,1659 0,1541 Volymandelsförhâllande 0,251H 0,198H 0,2102 Bränsle/kylmedel 2,03 3,20 3,02 Atomförhållande moderator/bränsle 0,82 0,624 0,66 Brännlestavarna i exemplen enligt tabell I är stavformiga.

Vid exemplen 1 och 2 är kapslingsrören försedda med kontinuer- liga fenor längs hela deras längd. Exempel 3 avser en alternativ 7896955-6 l0 2st U0 6 utföringsform av exemplet 2 med fenor som sträcker sig över app- roximativt 30 % av stavlängden. Värdena på atomförhållandena mellan moderator och bränsle enligt tabell I närmar sig normala driftvillkor för tryckvattenreaktorer, innefattande primärkyl- médelstemperatur och -tryck, bränslekutsform, fritt avstånd mellan bränslekutsar och kapsling och procenttalet för teoretisk U02-täthet i kutsen. g Bränslepatronerna enligt tabell I kan framställas genom -hårdlödning i ugn med kvävgasatmosfär vid 1050-1100°C under användning av en hårdlödningslegering med varunamnet "Nicrobraz 50" (vilken kan erhållas från firman Wall-Colmonoy Corp., Detroit, Michigan, USA) med användning av Jiggar, fixturer och hårdlödningsmetoder av allmänt känt slag.

Tack vare atomförhållandena mellan moderator och bränsle som möjliggjorts vid bränslepatroner enligt uppfinningen kan snabb- reaktorfysik tillämpas på tryckvattenreaktorteknologi. Denna kombination har viktiga fördelar, innefattande: a. Undvikande av gas- eller vätskeformiga metallkylmedel, vilka annars använts för snabbreaktorer. b. Reducerad arbetstemperatur för kapslingen. c. Användbarhet av ytterligare metoder för reaktivitets- reglering, nämligen kemisk styrning och spektralskiftstyrning.

Användbarheten av ytterligare metoder för reaktivitetsregle- ring reducerar det normala beroendet hos snabbreaktorer av styr- stavar,f Sålunda möjliggöres en reducering i erforderligt antal styrstavar och àstadkoms möjlighet för kontinuerlig justering av överskottsreaktivitet till minimala värden, vilket i hög grad ökar säkerheten hos snabbreaktorkärnor. Detta skulle innefatta drift med högvärdigare stavar utanför kärnan.

Claims (4)

7806955-6 f? PATENTKRAV

1. Bränslepatron för användning i en med tryckvatten modererad och kyld snabb brídkärnreaktor, vilken bränslepatron är k ä n n e - t e c k n a d av att den innefattar ett kärnbränsle (1Ä), ett flertal bränslestavar (11), anordnade med parallella längsgående axlar i ett tätt hophâllet paket, varvid varje bränslestav väsentli- gen består av en 1 stort sett rörformad kapsel, som uppbär kärn- bränslet, och en längsgående fena vilken sträcker sig från kapseln till varje intill befintlig bränslestav och är metallurgiskt förenad med denna för att bilda en i ett stycke utförd bränslepatron som har kylmedelpassager vilka avgränsas av kapselns yta och fenorna, varvid bränslestavarna inklusive nämnda fenor är så dimensionernade att bränslepatronen har en materialvolymandel mindre än ca 0,166 och ett förhållande mellan bränsle- och kylmedelvolym i området mellan ca 2,R3 och ca 3,20.

2. Bränslepatron enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att fenan är metallurgiskt förenad med en intill befintlig bränsle- stav medelst hàrdlödning.

3. Bränslepatron enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att fenan sträcker sig kontinuerligt utan avbrott längs kapselns yta i en med resp. bränslestavs längsaxel i stort sett parallell rikt- ning.

4. Bränslepatron enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att kärnbränslet är plutonium och att tryekvattnet är tungt vatten. ___-___..- i