SE453025B

SE453025B - Herdkonstruktion for kernreaktor

Info

Publication number: SE453025B
Application number: SE8004485A
Authority: SE
Inventors: S Uchikawa; M Fuse; Y Kobayashi; R Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-18
Filing date: 1980-06-17
Publication date: 1988-01-04
Also published as: JPS561386A; DE3022747A1; JPS6244632B2; SE8004485L; US4378329A; DE3022747C2

Description

É i 40 453 G25 IJ arbetscykel på t.ex. ett år för-att variera styrstavarnas möns- ter och/eller inskjutningsdjup. I en kärna av tidigare utförande har det emellertid ansetts nödvändigt att manövrera styrstavarna efter sänkning av effektnivån hos bränslet, som gränsar mot styr- stavarna, under en förutbestämd nivå för att säkerställa att bränslet bevaras i oskadat skick. Nuvarande praxis att variera styrstavarnas mönster och inskjutningsdjup är att temporärt sänka reaktoreffekten för att manövrera styrstavarna och sedan åter- ställa reaktoreffekten till ursprunglig nivå efter fullbordade styrstavsmanövreringar. På grund av behovet att följa sådan praxis har en kokvattenreaktor av tidigare utförande haft nack- delarna att dess manövreringsprocedurer är komplicerade och att utnyttjningsgraden av en anläggning med en sådan reaktor är låg.

I en kokvattenreaktor av tidigare utförande har också ut- jämning av den radiella effektfördelníngen varit ouppnàelig i en arbetscykels slutskede, då styrstavarna är helt utdragna, med resultat att härdens mittzon har visat en tendens att få hög effekt. Detta har gjort det nödvändigt att omplacera bränslepa- tronerna när utbyte av bränsle utförs, då en arbetscykel avbryts.

Detta har också varit en faktor som gjort driftrutínerna hos en konventionell kokvattenreaktor komplicerade och minskat utnyttj- ningsgraden hos en anläggning med en sådan reaktor.

Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en härdkon- struktion till en kärnreaktor som förenklar operationsprocedu- rerna och ökar utnyttjningsgraden hos en anläggning med en sådan reaktor. Ett annat syfte är att åstadkomma en härdkonstruktion vilken möjliggör minskning av antalet styrstavar som manövreras vid motverkning och justering av reaktivitetsändringar och änd- ringar av effektfördelning vid reaktorns drift med normal effekt och som eliminerar behovet att temporärt sänka reaktorns effekt- nivå när styrstavarna manövreras. Ytterligare ett syfte är att åstadkomma en härdkonstruktion vilken möjlízgör utjämning av den radiella effektfördelningen som erhålls i slutskedet av en ar- betscykel då styrstavarna är helt utdragna, varigenom behovet att omplacera bränslepatronerna när utbyte av bränsle utförs kan elimineras.

Uppfinningen anvisar en härdkonstruktion till en kärnreaktor vilken innehåller en mängd bränsleceller som utgör en härd, där varje bränslecell innefattar fyra bränslepatroner anordnade i närliggande inbördes förhállande_till varandra och en styrstav “i WW l vag-yra; a. il 453 G25 'Jl som är inskjutbar till en position där den omges av de fyra bränslepatronerna, där ovannämnda bränsleceller inkluderar pri- mära celler som har en relativt hög genomsnittlig infinit multiplika- tionsfaktor och innehåller en bränslepatron med ett brännbart gift och sekundära bränsleceller som har en relativt lag genom- snittlig infinit multiplikationsfaktoroch saknar bränslepatroner med brännbart gift, varvid de primära bränsledellerna är anord- nade bàde i härdens mittzon och där placerade inom ungefär halva härdradien räknat från härdens centrum och i en periferizon utan- för mittzonen, varjämte de sekundära bränslecellerna är anordnade och varvid endast de endast i mittzonen och ej i periferizonen, sekundära bränslecellerna innehåller styrceller i vilka styrsta- var kan manövreras för att justera härdens reaktivitetsändringar och forandra effektfördelningen vid reaktorns drift med normal effekt._____ 1 _" Q De sekundära br dens mittzon innefattar de bränslecel nstone en tänkt cirkel med ce änslecellerna som företrädesvis finns i här- ler som huvudsakligen är ntrum i härdens ¿ i placerade längs åtmi centrum.

Pöreträdesvis inn härdens mitt- och periferizon fyra s sakligen lika åtskilda från varandra med avseende på driftperio- den i härden, varvid den nyaste bränslcpatronen innehåller ett brännbart gift.

De primära brän efattar de primära bränslecellerna bade i lags bränslepatroner huvud- slecellerna som finns i härdens mitt- och vi periferizon inkluderar fyra slags bränslepatroner åtskilda från ky varandra beträffande drifttid i härden med omkring ett âr, och Q den nyaste bränslepatronen kan innehålla ett brännbart gift.

Det brännbara giftet innefattar företrädesvis gadolinium.

L 30 I härdkonstruktionen i en kärnreaktor enligt uppfinningen primära bränslecellerna av sammanlagt fyra, en h finns huvudsakligen nen belägna inom unge- Ü ' inkluderar de bränslepatron som innehåller gadolinium oc i hela härden utom i några delar av mittzo ntrum. Genom att välja fär halva härdradien räknat från härdens ce ncentration av det brännbara giftet som finns i en en lämplig ko är det möjligt att hålla härdens reaktivitets- ny bränslepatron, f ha v ' .ale-tai _ _ f fljï. 'f m1-, 40 453 025 4 ändringar på relativt låga nivåer vid reaktorns drift med normal effekt. Detta möjliggör reducering av antalet styrstavar som manövreras för att motverka och justera reaktivitetsändringar och ändringar av effektfördelningen vid reaktorns normala drift- effekt. I härdkonstruktionen enligt uppfinningen har vidare de sekundära bränslecellerna en relativt lag genomsnittlig infinit multiplikationsfaktoroch finns i nagra delar av härdens mittzon, och endast de sekundära bränslecellerna innehåller styrceller som har reducerat antal styrstavar vilka manövreras för att jus- tera härdens reaktivitetsändringar. Eftersom effektnivân hos bränslet i styrcellerna, som regleras med de sekundära bränsle- cellernas infinita multiplikationsfaktsr,kan inställas pà en nivå som är lägre än härdens medeleffekt, reglerad medelst de primära bränslecellernas infinita multiplikationsfaktor,0Ch däfígßnßm är lägre än nivån som erfordras för att bevara bränslet i ett oska- dat skick under styrstavarnas manövrering, kan behovet av att temporärt minska reaktoreffekten elimineras, vilket annars upp- står vid manövrering av styrstavarna för att motverka och justera härdens reaktivitetsändringar och ändringar av effektfördelning vid reaktorns drift med normal effekt.

I härdkonstruktionen enligt uppfinningen bidrar vidare arrangemanget att de sekundära bränslecellerna, som har en rela- tivt låg genomsnittlig infinit multiplikationsfaktor, är placerade i härdens mittzon, som beskrivits tidigare, till erhállandet av en väsentlig utjämning av den radiella effektfördelningen genom härden i slutskedet av en arbetscykel, då styrstavarna huvudsak- ligen är helt utdragna, så att behovet att omplacera bränslepa- tronerna när utbyte av bränsle utförs i stort sett kan elimineras.

Som tidigare beskrivits har de sekundära bränslecellerna, som har en relativt låg genomsnittlig infinit multiplikationsfak- tor, den dubbla funktionen att dels tjänstgöra vid justering av den radiella effektfördelningen genom härden, dels tjänstgöra som styrceller i vilka styrstavarna manövreras vid motverkning eller justering av härdens reaktivitetsändringar. De sekundära bränslecellernas dubbelfunktion kan erhållas genom att använda både ett bränsle med låg anrikningsgrad och ett bränsle som har en relativt hög utbränningsgrad eller exponering.

Av det föregående förstås att härdens konstruktion i en kärnreaktor enligt uppfinningen bidrar till att förenkla kärn- reaktorns operationsprocedur och ökar dess utnyttjningsgrad. - ~ __....._._...,._.. ......_._... __ -__.v....._...._..l._. ..,..ef “_ «_ -4 käka cigg_ *t_wm 40 s 453 025 Utföringsexempel på uppfinningen kommer i det följande att beskrivas med hänvisning till ritningarna.

Fíg. 1 visar schematiskt i snitt härdkonstruktionen i en kärnreaktor enligt en utföringsform av uppfinningen.

Fi . 2 visar schematiskt i snitt och i större skala en bränslecell tjänstgörande som styrccll i härdkonstruktionen en- ligt fig. 1.

Pig. Sa-Sc är schematiska vyer visande tre slags bränsle- patroner som används i härdkonstruktionen enligt fig. 1.

Fig. 4a visar schematiskt ett snitt genom bränslepatronen enligt fig. Sa, och fig. 4b är en schematisk vy som visar bräns- lets anrikningsgrad och gadoliniumkoncentrationen i de olika slags bränslestavarna i bränslepatronen enligt fig. 4a.

Pig. Sa visar schematiskt ett snitt genom bränslepatronen enligt fig. 3b, och fig. Sb är en schematisk vy som visar bräns- lets anrikningsgrad i de olika slags bränslestavarna i bränsle- patronen enligt fig. Sa.

Fig. 6a visar schematiskt ett snitt genom bränslepatronen enligt fig. Sc, och fig. 6b är en schematisk vy som visar bräns- lets anrikningsgrad och gadoliniumkoncentrationen i de olika slags bränslestavarna i bränslepatronen enligt fig. 6a.

Fig. 7 är ett diagram visande ändringar av den infinita neutronökningsfaktorn som uppträder vid förbränning av de tre slags bränslepatronerna enligt fig. Sa-Sc och som förklarar funk- tionsprincipen hos härdkonstruktionen enligt uppfinningen.

Fig. 8 är ett diagram visande en relativ, radiell effekt- fördelning hos bränslecellerna, tvärs över härden och erhällen vid en arbetscykels slutskede, då styrstavarna är helt utdragna i härdkonstruktionen enligt fig. 1, illustrerande en av de effek- ter som uppnås med uppfinningen.

Enligt fig. 1 innefattar en härd 2 hos en kokvattenreaktor med en värmeuteffekt på 3300 MW, som innehåller en härd enligt uppfinningen, en mångfald bränsleceller 4 som vardera innehåller fyra bränslepatroner anordnade i närliggande inbördes förhållande till varandra och en styrstav som är inskjutbar till en position där den omges av fyra sådana bränslepatroner.

Bränslecellerna 4 omfattar primära bränsleceller 6 som har en relativt hög genomsnittlig infinit multiplikationsfaktgr och inkluderar en bränslepatron utav fyra som innehåller ett bränn- bart gift, företrädesvis gadolinium, och sekundära bränsleceller mgvåw? \. p 453 025 6 8 som har en relativt lag genomsnittlig infinit mU3+1p11kat10nS- faktor och saknar bränslepatroner med brännbart gift. 1 fig. 1 representeras de primära bränslecellerna 6 var och en av en ruta av streckade linjer, som är uppdelad i fyra symbollösa kvadrater medelst tunna linjer, och de sekundära bränslecellerna 8 repre- u senteras var och en av en ruta av grövre linjer, som är uppdelad J av finare linjer i fyra kvadrater, var och en med symbolen C. Ä De sekundära bränslecellcrna 8 finns således endast i här- y dens mittzon och är där placerade inom ungefär halva härdradien, räknat från härdens centrum, och finns inte i periferizonen utan- för mittzonen. Uttryckt pa annat sätt består mittzonen av härden 2, placerad inom ungefär halva härdradien räknat fran härdens ¿_ centrum, både av primära bränsleceller 6 och sekundära bränsle- *ÜÜW celler 8, och största delen av härdens periferizon utanför mitt- zonen består av primära bränsleceller 6, och där finns inga se- kundära bränsleceller 8.

I den yttersta arean av periferizonen hos härden 2 finns bränslepatroner 10 vilka som nya har en genomsnittlig infinit Tarja multiplikationsfaktorsom huvudsakligen är lika den i bränslepa- gi 20 tronerna hos de primära bränslecellerna 6 men olika dessa med av- Ä seende pà det brännbara giftet. Det brännbara giftet i bränsle- patronerna 10 har, av skäl som redovisas senare, när de är nya en lägre koncentration än den i bränslepatronerna i de primära bränslecellerna 6.

Som framgår av fig. 2 utgör de sekundära bränslecellerna 8 styrceller, i vilka styrstavar 12 manövreras vid reaktorns drift med normal effekt för att motverka eller justera reaktivitets- ändringar hos härden 2 samt ändringar i härdens effektfördelning.

Styrstavarna 12 inskjuts således i positioner där de omges av bränslepatronerna 14, 16, 18 och 20 i ett förutbestämt mönster och till ett förutbestämt djup.

I utförandet enligt fig. 1 finns nio sekundära bränsleceller 8 i härdens 2 mittzon, med en sekundär bränslecell 8 placerad i fr härdens centrum och àtta placerade huvudsakligen längs en tänkt cirkel 22 som har sitt centrum i härdens 2 mittpunkt, och åtskilda fràn varandra med väsentligen lika avstånd. Uppfinningen är inte begränsad till detta mönster på arrangemanget av de sekundära bränslecellerna, utan annat mönster kan användas. gh I utförandet enligt fig. 1 är styrstavarna hos de primära 40 bränslecellerna 6 och hos bränslepatronerna 10 helt utdragna vid .nu _» -glšf "fïïšvfë?*i?ï“ 7 453 025 reaktorns drift med normal effekt,.och.de är anordnade att snabbt inskjutas i härden tillsammans med styrstavarna 12 hos de sekun- dära bränslecellerna 8, bara när det är nödvändigt att stänga av reaktorn.

Konstruktionen av bränslepatronerna som används i de primära V bränslecellerna 6 och i de sekundära bränslecellerna 8 samt de _ yttersta bränslepatronerna 10 kommer att beskrivas med hänvisning till fig. Sa-3c.

I fig. Sa visas en bränslepatron 30 vilken används till den ,g 10 primära bränslecellen 6 som har en genomsnittlig anrikningsgrad gm på ca 2,8 viktprocent. Bränslepatronen 30 har sju bränslestavar N& som innehåller gadolinium, och dessa har en gadoliniumkoncentra- tion och fördelning som är vald sådan, att när bränslepatronen axiellt uppdelas i tjugofyra olika noder, är koncentrationen ca 3,5 viktprocent i de tjugotvà noderna i mitten, medan den översta och understa noden har en koncentration på ca 1,5 vikt- Q* procent. i Pig. Sb visar en bränslepatron 32, som används i den sekundära g,, *ff bränslecellen 8, vilken har en genomsnittlig bränsleanriknings- grad pâ ca 1,1 viktprocent som inte innehåller någon bränslestav med gadolinium.

Pig. Sc visar en bränslepatron 34, använd som den yttersta bräns- lepatronen 10, vilken har en genomsnittlig bränsleanrikningsgrad på ca 2,8 viktprocent. Bränslepatronen 34 har sju bränslestavar som innehåller gadolinium, och dessa har en gadoliniumkoncentra- tion och fördelning som är vald sådan, att gadoliniumkoncentra- tionen är ca 1,5 viktprocent efter hela längden av branslepatro- nerna 34. Gadoliniumkoncentrationen reduceras i övre och undre L änden hos bränslepatronen 30 och i den yttersta bränslepatronen 34, därför att närvaron av oförbränd gadolinium i härdens övre vikas i slutskedet av en arbetscykel. och undre ände och i det yttersta omrâdet av densamma då kan und- Q i i Bränslepatronerna enligt fig. Sa-Sc visas i konkret kon- | struktiv utformning i fíg. 4a-6b.

Pig. 4a, Sa och 6a är schematiska horisontalvyer av bränslepa- tronerna 30, 32 och 34 där varje bränslepatron visas med ett flertal bränslestavar i lägen, i vilka symboler har placerats i cirklar.

Fig. 4b, Sb och 6b visar anrikningsgraden hos bränslestavarna i 40 de olika slags bränslepatronerna samt gadoliniumkoncentrationerna 453 025 8 när bränslestavarna innehåller det brännbara giftet, varvid k bränslestavarna är betecknade med symboler som anges under dem. / I fig. 4a och 4b, Sa och Sb samt óa och 6b är bränslestavarna r i med lika referens sﬂmmler av samma slag.

I fig. 4a och 4b samt óa och 6b betecknar symbolerna F1-P6 bränslestavar utan gadoliniuminnehåll vilkas bränsleanriknings- grad angivits i figurerna, medan symbolen FG betecknar bränsle- stavar med gadolíniuminnehäll vilkas bränsleanrikningsgrad och gadoliniumkoncentration angivits i figurerna.

I fig. Sa och Sb betecknar symbolerna P1-P3 bränslestavar utan gadolíniuminnehàll vilkas bränsleanrikníngsgrad angivits i figu- I å rerna. Symbolen W betecknar i samtliga figurer vattenstavar.

Pig. 7 visar förändringar av infínita multiplikationsfaktorn i _; :t _ under det att förbränningen hos bränslepatronerna fortgår. I f 15 diagrammet representerar ordinatan den infiníta multiplikations- få faktorn (K ) och abskissan indikerar utbränníngsgraden eller U exponeringen (Gwd/st). Kurvan 50 visar förändringar av infinita äd multiplikationsfaktornsom uppstår i största delen av bränslepa- tronen 30, använd i den primära bränslecellen 6 utom i dess övre och undre ändsektioner, kurvan S2 visar förändringar av infinita moltiplikationsfaktornsom uppstår i bränslepatronen 32, använd i den sekundära bränslecellen 8 och kurvan S4 visar förändringar av infinita multiplikationsfaktornsom uppstår i bränslepatronen 34, använd som yttersta bränslepatron 10 och i de övre och undre ändsektionerna av bränslepatron 30, använd i de primära bränsle- lei»Q¿n;š i r-ršs cellerna 6.

Karakteristikorna hos härden 2, som helhet betraktad, be- stäms huvudsakligen av egenskaperna hos bränslepatronerna 30 som F används i de primära bränslecellerna 6, vilka bildar merparten Ä av härden 2. Bränslepatronerna 30 är anordnade i satser om fyra och utspridda över härdens 2 laddningsyta där omplacering av bränsle sällan utförs. De primära bränslecellerna 6, vilka var- F dera omfattar fyra bränslepatroner 50 placerade i närliggande l ¿ inbördes förhållande till varandra, inkluderar således dessa fyra “Q bränslepatroner 30 som är i drift i härden 2 under första, andra, + tredje respektive fjärde âret. Exponeringsgraden under en arbets- 1 cykel är ca 6,15 GWd/st, och bränslet i merparten av härden 2 tenderar att öka sin förbränning. Således, vilket visas i fig. 7, har i bränslepatronerna 30 som har varit i drift över ett år i 40 härden 2, gadoliniuminnehállet förbrukats, så att de uppvisar en Sgt. »alla :_ _ __. _ 40 /7 9 453 025 minskning av infinita multiplikationsfaktorni takt med förbrän- ningens fortskridande. Bränslepatronerna 30 uppvisar sålunda under andra, tredje och fjärde driftáret en minskning av den infinita multiplikationsfaktonwi takt med förbränningens fortskridande, medan bränslepatronerna 30 under det första driftâret uppvisar en ökning av infínita multiplikationsfaktonimedan förbränningen fortskrider. Av fig. 7 framgår också att ökningsgraden på infini- ta multiplikatíonsfaktornhos bränslepatronerna 30 under första driftàret är omkring tre gånger så stor som minskningsgraden från andra till fjärde driftàret. Resultatet blir att cellens genom- snittliga infinita multiplikationsfaktor uppvisar en mycket liten variation över en arbetscykel när den uppmäts pà en grupp av fyra bränslepatroner fràn varje bränslecell. Härden 2 uppvisar, med denna egenskap, mycket små ändringar i överskottsreaktivitet under förbränningens fortskridande, så att det är möjligt att minska antalet styrstavar som manövreras vid reaktorns drift med normal effekt till under nio.

Som framgår av fig. 7 har bränslepatronen 32 som används i den sekundära bränslecellen 8 en relativt lag infinit multiplika- tionsfaktor över hela exponeringsperioden. Detta eliminerar beho- vet att sänka reaktoreffekten när styrstavarna hos de sekundära bränslecellerna 8 manövreras för att motverka eller justera för- ändringar i härdens reaktivitct och effektfördelning vid reaktorns drift med normal effekt. .

Pig. 8 visar en radiell fördelning av genomsnittliga relativa effekter hos härdens celler i slutskedet av en arbetscykel då alla styrstavarna är helt utdragna. Diagrammets ordinata repre- senterar relativa effekten hos medelbränslecellen och abskissan ~ anger radiella positioner i härden, medelbränslecellens relativa effekt är ett medelvärde för fyra bränslepatroner fràn en bränsle- cell.

Iådet övre högra hörnet av fig. 8 visas en fjärdedels kärna i vilken 58 betecknar positionerna där relativa effekterna är be- räknade, 60 betecknar positionerna där de sekundära bränslecel- lerna 8 är placerade och 62 betecknar en radiell fördelning av relativa effekter i härden. Det framgår av fig. 8 att delarna av härdcn 2, där de sekundära bränslecellerna S är placerade, har lag relativ effekt och därmed bidrar till utjämningen av den ra- diella effektfördelningen.

Av det föregående inses att med en härdkonstruktion enligt _' , Aaàd¿¿~.f_,-;__v,__ﬂ___ ___* <3 453 025 ' 10 šßïím." . der många fördelar. Beho- mband med bränslebyten t använda ett litet uppfinningen erhålles en härd som erbjd ' vet att utföra omplacering av bränsle i sa bortfaller, och reaktorn kan regleras genom at antal styrstavar. Behovet att minska reaktoreffekten när styrsta- Å - 5 varna manövreras vid reaktorns drift med normal efíekt'bortfa1ler, it onödigt. ¿: % och även förändringen av styrstavsmönstret har blir i ingen bidrar således till förenklad reglering av kärnreak- v Uppíinn torn, ökad utnyttjningsgrad hos en kärnkraftsanläggning och ökad ššš 3 2.«..-1. termisk reserv. l- .wear f* <-

Claims

10 15 20 25 30 35 40 11 453 025 Pategtkggv

1. Hardkonstruktion for karnreaktor som innefattar en mangd bransleceller (4) som bildar en hard <2), i vilken varge branslecell innehåller fyra branslepatroner anordnade i nar- liggande inbordes forhàllande till varandra varvid bransle- cellerna innefattar primära bransleceller (6) i vilka en av fyra branslepatroner innehåller ett brännbart gift, k Ä n n e t e c k n a d av att de primära branslecellerna (6) har en relativt hog genomsnittlig infinit multiplikations- faktor, och av sekundara bränsleceller (8) som har en relativt lag genomsnittlig infinit multiplikationsfaktor och saknar branslepatroner med brännbart gift, och av att en central zon hos harden har bada av namnda primära och eekundara bränsle- celler samt att en perifer zon hos härden utanför den centrala zonen har endast namnda primara bränsleceller, medan de sekundara bränslecellerna (8) finns endast i hardens mittzon och innehåller styrceller.

2. Hardkonstruktion enligt krav 1, k a n n e t e e k- n a d av att de sekundara branslecellerna (8) finns i hard- ens mittzon och inkluderar de bransleceller som huvudsakligen är placerade lange åtminstone en tankt cirkel (22) med centrum i hardens mitt.

3. Hardkonstruktion enligt nagot av kraven 1 eller 2, k a n n e t e c k n a d av att de primara branslecellerna <6) finns bade i hardens mitt- och periferizon och vardera innehåller fyra slags branslepatroner huvudsakligen lika åtskilda fran varandra med avseende pa drifttid i härden (2), varvid den nyaste branslepatronen innehåller ett brannbart gift.

4. Härdkonstruktion enligt nagot av krav 1 eller 2, k a n n e t e c k n a t av att de primära branslecellerna (6) finns bade i hardens mitt- och periferizon och vardera innehåller fyra slags branslepatroner atskilda från varandra cirka ett ar med avseende pà drifttid i harden (2), varvid den nyaste branslepatronen innehåller ett brannbart gift.

5. Hardkonstruktion enligt krav 3 eller 4, k a n n e- t e c k n a d av att det brannbara giftet består av gado- -šinmïﬁ