SE448193B - Distansdon for anvendning i ett kernbrensleaggregat - Google Patents

Description

448 193 av bränsleknippet, minimering av kontaktareorna mellan distansdon och bränslestavar, bibehållande av distansdonets uppbyggnadsintegritet, under normala och onormala (exempelvis seismiska) belastningar, minimering av reaktorkylmedelsström- ningens distortion och hämning, maximering av de termiska gränserna, minimering av parasitisk neutronabsorption, mini- mering av tillverkningskostnaderna, inklusive anpassning till automatiserad produktion. Behovet av att anordna sådana bränslestavdistansdon ger sålunda upphov till flera betydande problem, av vilka två är parasitisk neutronabsorption och kyl- medelsströmningshämning eller tryckfall.

Varje material förutom kärnbränslet, som måste begagnas vid konstruktionen av reaktorhärden, absorberar på icke pro- duktivt sätt neutroner och minskar sålunda reaktiviteten med följd, att en ytterligare, kompenserande mängd bränsle måste anordnas. Beloppet av denna parasitiska neutronabsorption är en funktion av den mängd material, som icke utgör bränsle, av dess neutronabsorptionsegenskaper, dvs neutronabsorptionstvär- snittet, och av den neutronflödesdensitet, för vilken det ut- sättes.

För avlägsnande av värme från kärnbränslet tvingas under tryck varande kylmedel genom reaktorhärdens bränsleaggregat.

Bränslestavdistansdonen i aggregaten verkar såsom kylmedels- strömningshinder och förorsakar ett icke önskvärt men oundvik- ligt kylmedelsströmningstryckfall. För bibehållande av korrekt kylning av bränslestavarna längs deras längd och för mini- mering av den erforderliga kylmedelspumpningseffekten är det önskvärm att distansdonskylmedelsströmningshämningen mini- meras. Ett distansdons strömningsmotsånd är en kraftig funk- tion av dess projicierade area eller "skuggarea“. Sålunda kan ett distansdons strömningsmotstånd minimeras genom minimering av distansdonskonstruktionens projicierade area.

I praktiken medför önskan att minimera såväl den parasi- tiska neutronabsorptionen som kylmedelsströmningshämningen en konflikt vid konstruktionen av bränslestavdistansdon. 448 193 För minimering av kylmedelsströmningshämningen bör distansdonelementen vara tunna och av minsta möjliga tvärsnittsarea. Emellertid måste mycket tunna element framställas av material av stor styrka för att man skall erhålla den lämpliga distansdonstyrkan. Vidare måste material av stor styrka med lämpliga elasticitetsegenskaper begagnas för varje fjäderelement hos distansdonet. Det har befunnits, att lämpliga sådana material har relativt höga neutronabsorptionsegenskaper. Å andra sidan har material av i önskvärd mån låga neutronabsorptionsegenskaper befunnits vara av relativt liten styrka, svårformade och i avsaknad av den önskade elasti- citeten för distansdonets fjäderelement.

Ett försöka att lösa ovannämnda konstruktionskonflikt' utgöres av ett "sammansatt" distansdon, där konstruktionsele- menten är framställda av ett material av lågt neutronabsorp- tionstvärsnitt och dess fjäderelement framställes för sig av lämpligt, elastiskt material, varigenom mängden material av högt neutronabsorptionstvärsnitt minimeras; Många olika sådana bränslestavdistansdon har föreslagits och begagnats. Ett exempel visas i den amerikanska patent- skriften 3,6S4,077. Det däri visade distansdonet (särskilt utföringsformen enligt figur 5 och 6) har haft långvarig kommersiell framgång. Dess distansdons periferiella stöd- element och uppdelande element är framställda av material av lågt neutrontvärsnitt, exempelvis zirkonium. De uppdelade elementen är skelettartade, dvs framställda med urskärningar för att ytterligare minska neutronförlusten. För minimering av mängden fjädermaterial av högt neutrontvärsnítt i distans- donet, skjuter ett enda fjäderelement in i var och en av bränslestavpassagerna, varvid fjädrarna har formen av fyr- sidiga aggregat.

En stor kärnkraftsreaktorshärd innehåller i typfallet storleksordningen 800 bränsleaggregat, vart och ett av vilka kan ha sju distansdon. Det är sålunda tydligt, att även små minskningar av distansdonets strömningsmotstånd och neutron- 448 193 infångning kan ha en betydande effekt på härden i dess helhet.

Minskat strömningsmotstånd innebär att mindre kylmedels- cirkuleringspumpningseffekt erfordras. Exempelvis kan vid en 1000 megawatts anläggning en minskning av härdströmningsmot- ståndet av 0,07 kp/cm2 spara så mycket som 350 kilowatts effekt.

Minskad parasitisk neutronabsorption i distansdonen inne- bär, att mindre härdreaktivitet erfordras för en given uteffekt. Med andra ord kan bränsle av lägre anrikning begagnas. Exempelvis kan en 0,01 procents minskning av anrik- ningen sänka bränslekostnaden med storleksordningen l000,00 dollars per aggregat.

Uppfinningen syftar till att erbjuda ett kärnbränsle- elementdistansdon, som ger minskat kylmedelsströmningmotstånd och ökad neutronabsorption. Distansdonskonstruktionens proji- cierade area skall minskas. Vidare skall distansdonskon- struktionens tvärsnittsarea minimeras. Distansdonets fjäder- element skall på säkert sätt kvarhållas. Ytterligare ett syfte är att undvika att fjädrar eller andra distansdonsdelar skjuter franzöver och under de plan, som bildas av de övre och nedre kanterna hos distansdonets korsflätade uppdelande element.

Dessa och andra syften med uppfinningen nås genom ett distansdon i enlighet med de bifogade patentkraven.

Uppfinningen förklaras utförligare i det följande med hänvisning till bifogade ritningar.

Figur 1 är en planvy uppifrån av bränslestavdistansdonet enligt uppfinningen, figur 2 en sidovy, som delvis i snitt visar distansdonet enligt figur 1, figur 3A och 3B är vyer uppifrån och från sidan av en typ av uppdelande element hos distansdonet enligt figur 1 och 2, figur 4A och 4B är detaljvyer av modifikationer av det uppdelande elementet för hållande av en vattenrörfjäder, figur 5 är en sidovy av en annan typ av uppdelande 448 193 element hos distansdonet enligt figur l och 2, figur 6 är en snittvy, som belyser de fjäderhållande huvarna, figur 7 är en isometrisk vy av ett dubbelsidigt fjäder- element, figur 8 en isometrisk vy av en fjäder med ett enda fjäderelement, och figur 9A, 9B och 9C är sidovyer, som belyser en alterna- tiv utföringsform av ett fjäderhållande uppdelande element.

Distansdonet ll enligt upfinningen visas i planvy i fig l och med vissa delar bortbrutna i fig 2. Distansdonet ll är framställt av ett periferiellt stödband 12, vid vilket ett flertal uppdelande element l3(l) och l3(2) av metallplåt är anbragta i ett korsflätat eller ägglâdeliknande arrangemang för bildande av bränslestavpassager 14 för bränslestavarna l6 (Lämpligen kan det periferiella stödbandet 12 framställas av fyra separata sidodelar, som svetsas samman vid hörnen, sedan de monterats med de uppdelande elementen). En eller flera passager 14' kan anordnas för kylmedelmoderatorförande rör 17, som har större diameter än bränslestavarna 16 (Sådana vattenrör och deras funktion diskuteras i de amerikanska patentskrifterna 3,802,995 och 4,314,884L De uppdelande elementen l3(1) är utformade med ett par krökta delar nära sina övre och nedre kanter för erbjudande av relativt styva utskott eller stopp l8 för beröring med och lägesbestämning i sidled av bränslestavarna 16 i passagerna 14. Företrädesvis är stoppen 18 orienterade i sidled för mini- mering av distansdonets projicierade area och kylmedelsström- ningsmotstånd. På liknande sätt i sidled orienterade stopp 18' är utformade längs det periferiella stödbandets 12 övre och nedre kanter för stödjande av bränslestavarna i de perife- riella bränslestavpassagerna 14.

De styva stoppens 18,18' övre och nedre kanter 15 (fig 2) är något krökta utåt från passagerna 14 (dvs stoppen är något konvexa i den vertikala riktningen) för underlättande av bränslestavarnas 16 införande i och avlägsnande ur passagerna 448 193 14 och för minimering av att bränslestavarna skrapas under det att de införes.

De uppdelande elementen l3(2) stödjer separat formade, tvåsidiga fjädrar l9(diskuterad utförligare nedanL De upp- delande elementen l3(l),l3(2) är placerade alternerande, så att två varandra skärande uppdelande element l3(l) och två varandra skärande uppdelande element l3(2) begränsar var och en av bränslestavpassagerna 14 (utom där de periferiella passagerna begränsas av det periferiella stödbandet l2L Sålunda skjuter en sida hos var och en av tvâ av fjädrarna 19 in i varje passage 14 från dess intill varandra varande sidor och tvingar den däri befintliga bränslestaven till beröring med de styva stoppen 18 på de båda andra intill varandra va- rande sidorna av passagen. A Såsom visas i fig 1 erbjuder distansdonet ll två dia- gonalt intill varandra varande passager 14' för två vattenrör 17. För maximering av vattenrörens 17 tillåtliga diameter utlämnas stoppen 18 i passagerna l4'. Vidare begagnas fjädrar 19' (fig 2) med endast en elastisk sida vid fjäderpositionerna intill passagerna l4Ü I stället för fjädrar 19 i dessa passager erhålles elastiskt sidostöd för vattenrören 17 genom ett ringformigt fjäderelement 21, som är anbragt i lämpliga slitsar i de varandra skärande uppdelande element l3(l)' och 13(1)". ves nedan. som begränsar passagernas 14' två sidor såsom beskri- Distansdonets ll periferiella stödband 12 är utformat med ett par inåtkrökta, uppåtriktade utskott 22 nära varje hörn för att tjäna såsom inledningar, när en borttagbar, rörformig strömningskanal installeras över det bränsleaggregat, i vilket detta distansdon ingår (se strömningskanalen ll i den ameri- kanska patentskriftens 3,654,077 fig 1). Ett särdrag hos upp-_ finningen är att så när som på inledningsutskotten 22 inga fjädrar eller andra distansdonsdelar skjuter fram över eller under planen för de uppdelande elementens l3(l),l3(2) övre och nedre kanter, varigenom kylmedelsströmningsstörningar till följd av hastighetsändringar förorsakade av ändringar i di- »m 448 193 stansdonstvärsnittsarean minimeras.

Det periferiella stödbandet 12 är även utformat med ett par utåt förlöpande lober 23 nära varje hörn för erbjudande av på förhand bestämt mellanrum mellan stödbandet 12 och en omslutande, rörformig kylmedelsströmningskanal (icke visad här).

De uppdelande elementen 13(l),l3(2) är hopsvetsade upp- till och nedtill vid vart och ett av deras skärningsställen 24 för erhållande av ökad distansdonstyrka.

De uppdelande elementens l3(l) detaljer visas i fig 3A, 3B. Dessa uppdelande element erbjuder de styva utskotten eller stoppen 18. Då dessa stopp skall framställas, förses först det uppdelande elementet l3(l) med på lämpligt sätt belägna, ver- tikalt i linje med varandra varande uppsättningar av sido- slitsar 26. Metallen mellan slitsarna 26 och elementets l3(l) övre och nedre kanter och mellan varje pars övre och nedre slitsar deformeras därefter utåt, så att de åt sidan krökta stoppen 18 formas och skjuter fram som vertikalt i linje med varandra varande par från vardera sidan av det uppdelande elementet l3(l)(de styva stoppen 18' längs det periferiella stödbandets 12 övre och nedre kanter kan åstadkommas på lik- nande sätt).

Varje uppdelande element l3(l) förses med regelbundet fördelade vertikala slitsar 27 för sammankoppling med andra uppdelande element hos distansdonet på ägglådeliknande sätt.

Från varandra skilda par av tungor 26 är anordnade vid varje uppdelande elements l3(l) ändar. Dessa tungor är insvet- sade i lämpliga slitsar i det periferiella stödbandet 12 för lägesbestämning och understödjande av det uppdelande elementet däri.

Om distansdonet ll skall rymma överdimensionerade vatten- rör 17, fig 1, måste de varandra skärande delande elementen 13(l)',l3(l)" modifieras från det i Eig 3A, 3B visade utfö- randet för hållande av den ringformade fjädern 21. Dessa modi- fikationers detaljer visas i fig 4A och 4B. z I linje med de uppdelande elementens l3(lY och l3(1Y' 448 193 a skärningsställe förses det uppdelande elementet l3(l)" med en urskärning 29 (fig 4A) för mottagande av den ringformiga fjädern 2l. Såsom visas i fig 4B är det uppdelande elementet l3(l)' försett med ett par från varandra skilda slitsar 31 för fjädern 21, varigenom då de uppdelande elementen l3(lY och l3(l)" låses vid varandra fjädern 21 hålles i läge.

De uppdelande elementens l3(2) detaljer visas i fig 5 och 6. Dessa uppdelande element stödjer fjädrarna l9,l9fl Såsom för de uppdelande elementen l3(l), är de uppdelande elementen l3(2) försedda med från varandra skilda slitsar 27 för inbördes låsning med andra uppdelande element och med paren av tungor 28 vid vardera änden för insvetsníng i lämpliga slitsar i det periferiella stödbandet 12.

För hållande av fjädrarna 19,19' i dessas korrekt verti- kalt orienterade lägen på det uppdelande elementet l3(2) fångas varje fjäder mellan övre och nedre par av utskott 32 (se fig 6) nära det uppdelande elementets l3(2) övre och nedre kanter. Utskotten har företrädesvis formen av kvartssfäríska huvar. _ ' « Huvarna 32 åstadkommas genom att det uppdelande elementet l3(2) först förses med par av från varandra skilda slitsar 33, som bildar de mot fjädrarna 19,19' vända kanterna hos huvarna 32. Fjädrarna 19,19' får därefter glida över det uppdelande elementet l3(2) och var och en av dessa placeras i linje med dess respektive övre och nedre par av slitsar 33. Det upp- delande elementets l3(2) metall deformeras därefter utåt, så att huvarna 32 bildas. Genom denna procedur undvikes installa- tion av fjädrarna över redan formade huvar eller utskott. vilket skulle kunna överbelasta fjädermaterialet, varvid teorin är. att om fjädrarna kan tvingas över de formade huvarna under distandonets tillverkning, kan de även glida över huvarna och komma att bli felplacerade under det att reaktorn arbetar. Med proceduren enligt uppfinningen är det sannolikt, att även om fjäderns ena sida skulle brista under det att reaktorn arbetar, förblir fjädern i sitt korrekta läge.

R 448 193 Fjädern 19 visas i detalj i fig 7. Fjädern 19 är ett dubbelsidigt element i form av en kontinuerlig slinga. Lämp- ligen kan det ämne, från vilket en sådan fjäder kan fram- ställas, utgöras av ett avsnitt av ett sömlöst rör.

Fjädern 19 är försedd med övre och nedre änddelar 36, som är åtskilda med ungefär ett uppdelande elements l3(2) tjocklek för snäv passning därpå. Större mellandelar 37 är utåtböjda, så att de sträcker sig in i bränslestavpassagerna och är för- sedda med en central spetsdel 38 för beröring med bränsle- stavarna. Krökta mellandelar 39 sträcker sig utåt i mindre mån än mittdelen 37 för begränsning av en bränslestavs extrema rörelser i fjäderns 19 riktning.

Fjädern 19' visas fig 8. Denna fjäder utgör ett enda elastiskt eller fjäderelement, och det begagnas intill de överdimensionerade vattenrörpassagerna 14' (fig 1). Denna fjäder har en rak sida 41. Den andra sidan har en större mitt- del 37' och en spetsdel 38' liknande fjäderns 19 (fig 7L Emellertid är fjäderns 19' krökta änddelar 42 annorlunda utformade än fjäderns 19 änddelar.

På grund av den raka sidan 41 kan fjädern 19' i sin helhet icke förlängas. Av detta skäl förlänges de krökta änd- delarna 42 med ett belopp, som är tillräckligt för att ge mittdelen 37' en fjäderkonstant, som är ungefär densamma som fjäderns 19 mittdels 37 fjäderkonstant, medan fjäderbelast- ningarna hålles inom acceptabla nivåer.

Vid den i fig 5 och 6 visade utföringsformen av upp- finningen är huvarna 32 anordnade att hålla fjädern l9,l9'i läge på det uppdelande elementet l3(2). I fig 9A, 9B och 9C visas ett alternativt uppdelande element 13(2)Ü där fjäder- elementen 19,19' är placerade i inskärningar 43 i det upp- delande elementets l3(2)'övre och nedre kanter (såsom inses göres för denna utföringsform fjädrarna 19,19' något kortare, så att de passar i inskärningarna 43, eller göres alternativt de uppdelande elementens l3(l),l3(2) höjd något större).

För fjädrarnas 19,19' installation på det med ínskär- ningar försedda uppdelande elementet l3(2)' förses detta upp- 448 193 delande elemenent först med separata, i längdriktningen för- löpande delar inklusive en större del 44(l) och en mindre del 44(2). Då fjädrarna 19,19' skall installeras på det med in- skärningar försedda uppdelande elementet l3(2)fl placeras de två delarna 44(l),44(2) med överlappning, och fjädrarna 19,19' får glida över dessa och placeras i linje med inskärningarna 43. De två delarna 44(l),44(2) förflyttas därefter mot fjäd- rarnas 19,19' motsatta ändar, så att fjäderändarna föres i ingrepp med inskärningarna 43 och så att de övre och nedre delarnas 44(l),44(2) innerkanter 46(l) och 46(2) föres till inbördes beröring. Dessa varandra berörande kanter svetsas därefter samman, så att ett enhetligt uppdelande element l3(2)', som icke har några urskärningar, fig 9C, erhålles.

I Vid distansdonet enligt uppfinningen framställes det periferiella stödbandet 12 och de uppdelande elementen l3(lL l3(2) av ett material av lågt neutronabsorptionstvärsnitt, exempelvis zirkoniumlegering, exempelvis "Zirkaloy-4". Fjäder- elementen l9,l9',2l framställes av ett material av lämplig styrka, korrisionsbeständighet och elasticitet, exempelvis en nickellegeríng, exempelvis “Inkonel“.

Vid ett exempel på ett distansdon enligt uppfinningen är det periferiella stödbandet 12 omkring 31,75 mm högt och om- kring 0,761nm tjockt. De uppdelande elementen l3(1),l3(2) är ungefär 28,6 mm höga och ungefär 0,5 mm tjocka. Fjädrarna 19.19' är ungefär 2,2 mm breda och är framställda av ett material av en tjocklek av ungefär 0,33 mm. Fjädern 21 är ungefär 4,5 mm hög och är av ett material av en tjocklek av ungefär 0.15 mm.

Sålunda har beskrivits ett distansdon för ett kärn- bränsle-element eller en kärnbränslestav, där den totala mängden material, mängden material av högt neutrontvärsnitt. distansdonskonstruktionens projicierade area och distansdons- konstruktionens tvärsnittsareaändringar är minimerade, så att neutronabsorptionen och kylmedels/moderatorströmningsmot- ståndet är minimerade.

I jämförelse med tidigare kända distansdon (exempelvis 448 193 ll enligt den amerikanska patentskriften 3,654,077) ger distans- donets enligt uppfinningen minskade neutronabsorption en minskning av storleksordningen 0,8 procent av reaktivitetsför- lusten, vilket motsvarar en bränsleanrikningsvinst av ungefär 0,0098 procent. Distansdonet enligt uppfinningen ger även en minskning i bränsleaggregatets kylmedelstryckfall av från ungefär 0,75 kp/cmz med tidigare kända distansdon till omkring 0,68 kp/cmz med distansdon enligt uppfinningen eller en minskning av nära 0.07 kp/cmz.

Claims (3)

448 193 12 PATENTKRAV

1. Distansdon för användning i ett kärnbränsleaggregat av långsträckta element, avsett att hålla dessa element i läge på ett avstånd från varandra, med en konstruktion av delningselement (13 (1): 13 (2)), som bildar passager (l4') för elementen, varvid varje uppdelande element uppvisar övre och nedre kanter som sträcker sig i sidled, dubbelsidiga metallfjädrar (19), som bärs upp på åtminstone några av delningselementen, varvid en sida på var och en av fjädrarna sträcker sig in i en av passagerna, och den andra sidan på var och en av fjädrarna sträcker sig in i en intilliggande passage i och för ingrepp med och för att fjädrande hålla de långsträckta elementen på plats, vilka element sträcker sig genom passagerna, varvid var och en av de dubbelsidiga fjädrarna uppvisar övre och undre snävare änddelar (36) med ett mellanrum motsvarande ungefär delningselementets tjocklek, så att fjädrarna sitter fast på delníngselementen, k ä n n e t e c k n a t av att fjädrarna (19) har huvudsakligen elliptisk form och består av en kontinuerlig och sömlös slinga, att fjädrarna bärs upp på delningselementens (13 (1): 13 (2)) övre och nedre kanter, och att fjädrarna skjuts över den övre och den undre kanten på delningselementen innan delningselementen monteras i och för bildning av passa- gerna, och att varje sida av var och en av fjädrarna uppvisar en utåt buktande mellandel (37), som skjuter ut, in i passa- gerna, och att de uppvisar en huvudsakligen central spetsdel (38) för kontakt med ett element som sträcker sig genom en av passagerna, varvid varje sida på var och en av fjädrarna vidare är försedd med övre och undre mellandelar (39) mellan de mittre och änddelarna, varvid mellandelarna är utformade med bågar som är välvda i samma riktning som den mittre delen, men som sträcker sig utåt i mindre omfattning än den mittre delen, till bildande av anslag för begränsning av extrem rörelse hos elementet i fjäderns riktning, varvid fjädrarna är fångade mellan övre och undre par av huvliknande utsprång 'lr 448 193 13 (32), vilka är utformade nära över- och underkanterna på några av delningselementen, efter det att fjädrarna anbringats på delningselementen i sina lägen, för att där hålla kvar dessa, varvid åtminstone några av passagerna begränsas av delnings- elementen på fyra sidor, och med fjädrar monterade på del- ningselement på två intilliggande sidor i passagen, och varvid delningselementen på två motstående sidor i passagen vardera är formade med ett par stela huvformigt utskjutande element (18) placerade på avstånd från varandra i vertikal led, for- made av sidledes orienterade välvda partier på delningselemen- tet, varvid ett element som sträcker sig genom passagen stöds i sidled av två fjäderelement och två par utskjutande huvlik- nande delar, ett längs periferin löpande stödband vid vilket ändarna på delningselementen säkras, vilket stödband bildar utsídorna av de längs periferin belägna passagerna, vilket stödband formats med övre och nedre stela huvformigt utskju- tande partier som sträcker sig in i de passager som är belägna vid periferin, vilket stödband är format med åtta upphöjda partier som har en utsträckning utåt, två nära varje hörn på vardera sidan, för tillhandahållande av ett mellanrum mellan stödbandet och en omgivande rörformig flödeskanal, vilket stödband är format med åtta uppåt utskjutande partier som är krökta inåt, två nära varje hörn på vardera sidan, vilka tjänar såsom införingar för installation av en rörformig kyl- medelsflödeskanal på aggregatet.

2. Distansdon enligt krav l, 'k ä n n e t e c k n a t av att åtminstone en av passagerna är anpassad för genomföring av ett överdimensionerat element (17) med större ytterdiameter än flertalet av elementen, och att en modifierad dubbelsidig fjäder (l9') är monterad på ett delningselement (13 (ZH intill den ena av passagerna, varvid den modifierade fjädern har en huvudsakligen rak sida, som ligger längs delnings- elementets yta intill den ena passagen, varigenom utrymmet i passagen är maximalt utformat för det överdimensionerade elementet, medan den andra sidan av den modifierade fjädern är 448 195 14 välvd utåt och sträcker sig in i en passage in till den nyss nämnda passagen.

3. Dístansdon enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att två diagonalt intill varandra liggande passager är anpas- sade för mottagning av det överdímensionerade elementet (l7L och att en på sidan anordnad ringformig fjäderdel (21) är mon- terad på de delningselement som korsar varandra mellan de intilliggande passagerna, varvid delar av ringfjädern (21) sträcker sig in i de angränsande passagerna, till bildande av ett fjädrande sidostöd för de överdimensionerade elementen. fr