SE458404B - Distansanordning foer braenslepatroner i kaernreaktorer - Google Patents

Description

458 404 - 2 konstant liksom bränslepatronens form. Bränslestavarna gmåste kunna vårmeutvidgas..Vibrationer måste motverkas.

Det skall vara lätt att montera bränslepatronen. Kontakt- ytorna mellan distansorganen och bränslestavarna skall vara så små som möjligt. Distansorganen måste hålla för normala och onormala (exempelvis seismiska) belastningar.

De skall hindra'och störa kylmedlets passage så lite som möjligt. De skall kunna tåla ett stort temperaturinter- vall. Deras parasitiska neutronabsorption skall vara låg.

De skall kunna tillverkas till låg kostnad och i automat- maskiner. En konstruktör av sådana distansanordningar ställs följaktligen inför flera svårlösta problem.

Alla komponenter förutom bränslestavarna vilka be- hövs i reaktorhärden absorberar neutroner improduktivt, vilket nedsätter reaktiviteten, så att man måste kompen- sera detta genom användande av en större bränslemängd.

Storleken hos denna parasitiska neutronabsorption är en av detta materials neutronabsorberande karakteristik, dvs. av dess absorptionstvärsnitt, samt av den neutronflödes- intensitet för vilken materialet utsätts. : funktion av mängden material, som inte utgör bränsle, Det i kärnbränslet alstrade värmet avleds genom att ett kylmedel under övertryck tvingas cirkulera geno: bränslepatronerna. Distansorganen hindrar och stör denna strömning och förorsakar ett oundvikligt tryckfall. För att bränslestavarna skall bli korrekt kylda utmed hela sin längd och för att den effekt som åtgår för att pumpa kylmedlet skall bli så liten som möjligt bör distansorga- nens strömningsmotstând minimeras. Detta är till sin stor- lek kraftigt beroende av distansorganens projicerade eller "skuggande“ area. Man kan följaktligen'minska detta ströme ningsmotstånd genom att minska den projicerade arean.

Experiment har visat att distansorgan med liten projicerad area också har de högsta termiska gränsvärdena.

Distansorganens strömningsmotstånd är emellertid också i hög grad en funktion av storleken hos deras "våta"'area till följd av friktionen mellan kylmedlet ozh e' 458 4o4_ 3 _ motsvarande vtor. Det stfömningsmotstând som ett dis- tansorgan utövar kan följaktligen reduceras genom minsk- 'ning av distansorganets höjd.

I praktiken är önskemålen att både minska den _ parasitiska.neutronabsorptionen och strömningsmotståndet två motsägelsefulla krav som konstruktören ställs inför.

"För att strömningsmotstândet skall bli så litet _ som möjligt bör distansorganen vara tunna och ha minsta möjliga tvärsektionsarea. Mycket tunna sådana organ mäste emellertid tillverkas I höghållfast material för att bli tillräckligt starka. Vidare måste_höghâllfasta material med lämpliga fjädringsegenskaper användas för fjädrande delar-i distansorganet. Emellertid har sådana material relativt hög neutronabsorption.

Om man å andra sidan väljer material med låg neutron- absorption, visar sig dessa ha dåliga hållfasthetsvärden, de är svåra att forma och saknar nödvändiga fjädringsegen- skaper. t _' _ Ett sätt att samtidigt uppfylla dessa båda motsägelse- fulla konstruktiva krav skulle vara att använda en "samman- satt" distansanordning, vars bärande delar består av ett_ material med lågt absorptionstvärsnitt för neutroner, medan endast de delar som behöver fjädra består av ett lämpligt elastiskt material, som dock har stort absorp- tionstvärsnitt. _ Flera olika typer av sådana distansanordningar har föreslagits och"använts, exempelvis enligt US 3}654.077.

Dess föremål (särskilt utföringsformerna enligt fig. 5 och 6) har haft stor kommersiell framgång. De bärande detaljerna består av ett material med litet absorptions- tvärsnitt'för neutroner, exempelvis en zirkonlegering. ' - Vidare finns i dessa detaljer urtagningar, som ytterligare nedbringar neutronförlusten. För att mängden fjädermate- rial med högt absorptionstvärsnitt skall bli så liten som möjligt finns ett enda fjäderorgan, som skjuter in i var och en av bränslestavpassagerna. ' G US 3.886.038 bekantgör en annan.liknande konstruk- 458 404 tion.

Bränslepatroner konstruerades tidigare för en uppe- hållstid i härden av cirka fyra år. Den utveckling som på senare tid skett mot bränsle med längre utbränningstid kräver dock uppehâllstider på sex år eller mer.

Denna förlängda uppehâllstid i härden ställer ytter- ligare ett krav på distansorganen. Förlängningen innebär att de tar upp mer väte från härdens omgivning så att hydridkoncentrationen i materialet kan göra detta skört.

Om denna koncentration blir för hög, föreligger risk för att distansorganen går sönder.

Den mängd väte som tas upp av ett distansorgan är proportionell mot den yta hos detsamma som är exponerad gentemot kylmedlet, dvs. den s.k. "våta" ytans area. Den hastighet med vilken väte diffunderar in i de relativt tunna distansorganen är tillräcklig för att ge en likformig hydridkoncentration genom hela materialet i organet. Hydrid- koncentrationen blir därför proportionell mot kvoten mellan den våta ytan och distansorganets volym.

Hydridkoncentrationen kan följaktligen minskas genom ökning av distansorganens tvärsektionsarea i form av en ökning av bredden eller tjockleken.

Såsom redan nämnts, är det av distansorganet utövade strömningsmotståndet en funktion både av distansorganets tvärsektionsarea och av dess höjd, varför varje ökning av tjockleken måste kompenseras av ett minskat höjdmâtt för att strömningsmotståndet inte skall bli för stort.

Fordran på låg hydridkoncentration kräver alltså ett distansorgan med minsta möjliga höjdmått.

I många typer av distansorgan begränsas minimihöjden av fjädrarnas utförande. I distansanordningar med vertikala (axiella) fjädrar, exempelvis enligt nyssnämnda amerikanska- patentansökan, bestäms den minsta möjliga höjden av den längd som fjädern behöver ha för att få erforderlig flexi- bilitet och fjäderkraft.

Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett distansorgan, som har tillräcklig tvärsektionsarea för att 458 404 hålla hydridkoncentrationerna i detsamma på tolerabla nivåer under utdragna uppehâllstider i en reaktorhärd.

Ett annat ändamål är att minska distansorganets höjd i och för minimering av strömningsmotståndet.

Ett tredje ändamål är att åstadkomma ett fjäderorgan, som är orienterat i sidled eller horisontellt, så att fjädern inte bestämmer minimihöjden. Ännu ett ändamål är att åstadkomma en sådan fjäder, vilken sträcker sig inom två angränsande strömningspassager, så att den ger sidostöd på båda dessa platser. Ytterligare ett ändamål är att åstadkomma en sådan fjäder, vilken kan kvarhållas av horisontella slitsar i distansorganen, så att en avsevärd del av fjädern blir belägen inom det av distansorganen själva "skuggade" omrâdet, varigenom fjäderns bidrag till strömningsmotståndet minimeras.

Vidare avses med uppfinningen att åstadkomma en dylik fjäder, hos vilken fördelningen av spänningarna i materialet blir sådan att detta utnyttjas optimalt, varigenom material- mängden kan minskas.

Slutligen avses med uppfinningen att åstadkomma en distansanordning, sammansatt av ett flertal hylsor, vilkas utsidor har oktagonal form, medan de invändigt är cirkulära.

Uppfinningen avser en distansanordning av den typ som är avsedd att i bränslepatroner för kärnreaktorer hålla ett flertal långsträckta element, särskilt patronens bränsle- stavar, lägesfixerade i sidled och väsentligen bestående av ett flertal, vid sidan av varandra belägna och med varandra förbundna, hylsor, som vardera genomgås av ett av elementen.

Uppfinningens huvudkännetecken är att i sidled orien- terade bladfjäderorgan vart och ett överbryggar två varandra närliggande hylsor och skjuter in i dem, så att de i sidled stöder elementen inuti dessa hylsor, i vilkas varandra när- belägna väggpartier finns urtagningar för fjäderorganets centrala parti, medan dettas ändar är införda i öppningar i hylsornas väggar, varjämte fjäderorganets centrala del har ett V-format parti, vars spets sträcker sig in mot de sidopartier av hylsorna som anligger mot varandra, så att 458 404 i hylsornas toma tillstånd fjäderns centrala parti stöder mot nämnda sidor och härigenom dels förspänner fjädern, dels begränsar den utsträckning i vilken denna skjuter in i hylsorna, varigenom elementens införande i dessa under- lättas, samt från nämnda parti utgår tvâ sidoriktade armar, som var och en har en relativt lång mellandel, ett kortare, i förhållande till mellandelen vinkelbockat ytterparti samt ett ändparti med reducerat höjdmått, vilka ändpartier vart- dera skjuter in i en av öppningarna, så att fjäderns här- igenom bildade skulderpartier anligger mot hylsornas inner- vägg intill öppningarna i och för lägesfixering och fast- hållning av fjädern, varjämte fjäderns centrala parti ej är lägesfixerat, då ett element är infört i tillhörande hylsa.

De med varandra sammansvetsade hylsorna bildar en an- ordning med hög hâllfasthet, varigenom tjockleken hos den metall som används för tillverkning av hylsorna (och av det perifera bandet), kan vara liten. Härigenom reduceras både strömningsmotståndet och den parasitiska neutronabsorptionen.

Den sistnämnda nedsätts ytterligare genom att hylsorna och stödbandet utförs i ett material med litet absorptions- tvärsnitt för neutroner.

De bränslestavar eller andra komponenter vilka sträcker sig genom hylsorna hålls centrerade och understödda i sidled mellan stela stopporgan och fjädrande organ. De förra kan utgöras av välvda utbuktningar i hylsornas innervägg.

Till begränsning av den hydridkoncentration i mate- rialet som blir följden av långvarig upptagning av väte under reaktorns drift minskas förhållandet mellan distans- organets yta och tvärsektionsarea genom att tjockleken är större än hos konventionella distansorgan. Till motverkande av den ökning av strömningsmotståndet som skulle bli följden av enbart en ökning av tjockleken hos distansorganen minskas också deras höjd. Detta innebär emellertid en begränsning av det utrymme som står till förfogande för de fjädrande organen.

Av denna orsak bör dessa fjädrande organ utgöras av i sidled, eller horisontellt, orienterade bladfjädrar, vilka överbryggar tvâ närliggande hylsor hos distansorganet och 458 404 härigenom i sidled stöder de två bränslestavar eller övriga komponenter som sträcker sig genom hylsorna.

Fjädrarna är så utförda att spänningarna inuti mate- rialet utjämnas, varigenom detta utnyttjas maximalt, så att en mindre total materialmängd kan användas.' De horisontella fjädrarna kvarhâlls i urtagningar i de båda hylsorna. En avsevärd del av varje fjäder befinner sig inom hylsans profil, i dennas "skugga", så att denna del inte ger något bidrag till strömningsmotståndet. Efter- som de horisontella fjädrarna vänder sina kanter mot ström- ningsriktningen, kommer deras projicerade area att bli mycket liten, vilket ytterligare nedsätter strömningsmot- ståndet.

Fjädrarna kan förses med vårtliknande utsprång vid kontaktpunkterna med bränslestavarna, så att kontaktarean blir liten.

Hylsorna i distansanordningen kan ha cirkulär, okta- gonal eller annan profil men företrädesvis är de invändigt cirkulära och utvändigt oktagonala.

Jämfört med en hylsa, som har samma minsta väggtjock- lek men där både innerväggen och ytterväggen är cirkulära, kommer den extra materialmängd som den oktagonala utsidan kräver att ge en avsevärd ökning av hylsans styrka och styvhet. Dessutom kommer denna extra materialmängd att be- finna sig i områden där flödet är relativt litet, så att den bromsande verkan inte blir så stor. ' Användning av hylsor med oktagonal yttre profil minskar också den totala ytarea hos distansanordningen son är exponerad gentemot kylmedlet tack vare den relativt stora kontaktytan mellan närliggande hylsor. Detta bidrar till att minska materialets upptagning av väte. iüppfinningen beskrivs nedan närmare med hänvisning till ritningen.

Pig. 1 visar i sidovy ett par varandra intilliggande hylsor i en distansanordning, som är utförd enligt upp- finningen och inbegriper en fjäder.

Pig. 2 visar en sektion enligt linjen 2-2 i fiç. 1. 458 404 Fig. 3 visar i sidovy fjäderns ena arm.

Fig. 4 visar fjäderarmen i fig. 3 sedd i planvy.

Pig. 5 visar 1 vertikalvy en del av en hylsa med ett stopporgan. 7 Fig. 6 visar ett par varandra närliggande hylsor med oktagonal ytterprofil.

Fig. 7 visar en sektion enligt linjen 7-7 i fig. 6.

De i fig. 1 och 2 visade, mot varandra anliggande hylsorna 11 samanhålls av svetsfogar 12 upptill och ned- till.

Distansanordningen kan innefatta ett godtyckligt antal sådana intill varandra belägna och med varandra förbundna hylsor 11, som avgränsa: passage: för bränslestavar.

Av fig. 1 framgår att hylsornas övre och undre änd- partier 13 resp. 14 har större ytterdiameter än hylsans huvuddel 16. Härigenom bildas en smal spalt 17 mellan hylsorna, så att en liten mängd kylmedel kan cirkulera där och härigenom motverka att avlagringar fastnar eller korro- sion sker. Vid användande av hylsor utan sådana övre och undre förtjockningar bör man i stället låta svetsfogen sträcka sig utmed hela höjden.

Till begränsning av hydridkoncentrationen i hylsorna 11 är förhållandet mellan ytarean och tvärsektionsarean reducerat genom en ökning av väggtjockleken. För att detta inte skall medföra ökat strömningsmotstånd har hylsornas höjdmâtt minskats.

Problemet att åstadkomma erforderlig fjäderfunktion vid sådana låga hylsor har lösts medelst en horisontellt orienterad fjäder 18, inpassad i urtagningar 19, 21 i hyl- sorna 11. Fjädern 18 har också visats separat i obelastat tillstånd i fig. 3 och 4. Eftersom den är symmetrisk i sidled har endast den vänstra armen visats.

Fjädern 18 innefattar en relativt stor, till V-form bockad central del 22, vars spets 23 skjuter in mellan hylsorna 11. För V-formens betydelse redogörs nedan. Var- dera av de båda från den centrala delen 22 utgående armarna har en lång mittdel 24, ett kortare ändparti 26, som är 458 404 snedställt, och en spets eller flik 27 med mindre höjdmått.

Vid det ställe där fjädern 18 berör bränslestaven eller något annat element 28 (omkretsen markerad med streckade linjer i fig. 2) har fjäderns centrala del 24 en utbuktning, eller vârta, 29, som begränsar kontaktarean ¶ mellan bränslestaven 28 och fjädern 18.

Två i omkretsriktningen på avstånd från varandra be- lägna, inåt utskjutande, klackliknande stopporgan 31 håller bränslestaven 28 centrerad och fixerad i sidled. Dessa båda stödklackar 31 är motbelägna fjäderns stödvårta 29.

Klackarna 31 utförs företrädesvis i ett stycke med hylsorna. Detta kan, såsom visats i fig. 5, åstadkommas genom att man först upptar ett par slitsar 32 i hylsans 11 vägg, varefter materialet mellan dessa båda slitsar trycks f inåt till bildande av en välvd klack 31.

En enhet, bestående av de båda närbelägna hylsorna 11 och av fjädern 18, kan tillverkas genom att först fjä- derns ena arm förs in i urtagningarna 19 och 21 hos den ena hylsan, varvid fliken 27 skjuter ut genom urtagningen 21.

Anslagskanter 33 på fjäderns 18 änddel 26 stöder mot inner- väggen. Härefter införs fjäderns andra arm i urtagningarna 19 och 21 hos den andra hylsan 11 samtidigt med att denna förskjuts mot den första. Härefter sammansvetsas de båda hylsorna vid fogarna 12.

Fjäderns V-formade mittdel 22 har följande funktion.

För att erforderligt fjädertryck skall utövas mot bränsle- stavarna 28, har fjädern 18 i obelastat tillstånd (fig. 4) sådan form att densamma skulle skjuta in så mycket i hyl- sorna 11 att det skulle vara svårt, för att inte säga omöj- ligt, att sedan införa bränslestavarna 28. Vidare skulle mycket långa flikar 27 erfordras för kvarhållande av fjädern i dess läge. _ Dessa svårigheter elimineras tack vare den centrala fjäderdelens V-form. Då inga bränslestavar 28 genomgår hylsorna, befinner sig spetsen 23 i anliggning mot inner- kanterna 34 hos urtagningarna 19 (fig. 2), varigenom fjädern hålls förspänd och hindras från att skjuta alltför långt in 458 404 i hylsorna 11.

En fördel med fjädern 18 är det effektiva utnyttjandet av materialet i densamma. Mellan de kontaktpunkter som vår- torna 29 ger är fjädern likformigt spänd, eftersom det böjande momentet är konstant inom detta område. torna 29 och varje arms yttre ände, Mellan vår- där denna anligger mot urtagningen 21, sjunker det böjande momentet linjärt till noll. Denna fördelning av spänningarna i materialet innebär optimalt utnyttjande av detta, eftersom det mesta av fjäder- materialet bidrar till fjäderverkan. Det är viktigt att hålla mängden fjädermaterial så liten som möjligt på grund av att detta har stort infângningstvärsnitt för neutroner.

En annan fördel med fjäderns form är att densamma till stor del komer att befinna sig i^skuggan av hylsornas 11 väggar, varigenom strömningsmotståndet blir litet.

EXEMPEL Hylsornas 11 höjdmâtt kan vara 15 mm, ytterdiametern ca 16 mm och godstjockleken ungefär 0,75 mm. De utförs lämp- ligast i en zirkonlegering, exempelvis Zircaloy-4.

Fjädern 18 skall bestå av ett material, som förutom goda hâllfasthets- och fjädringsegenskaper har hög korro- sionsbeständighet, såsom nickellegeringar, exempelvis Inconel. Fjäderns totallängd i bockat tillstånd kan vara ca 30 mm, höjdmâttet ungefär 4 mm och godstjockleken ca 0,04 mm. ' I jämförelse med den i ovannämnda amerikanska patent- ansökan föreslagna distansanordningen ger patentföremålet en minskning av förhållandet mellan den våta arean och hylsmaterialets volym, vilket innebär att hydridkoncentra- tionen sänks med ungefär 33% för en given uppehållstid i V reaktorhärden. _ vid utföringsformen enligt fig. 6 och 7 är hylsornas 11' innerväggar cirkulära, medan ytterväggarna är oktagonala.

Fjädern 18 och stoppklackarna 31 kan vara av samma typ som ovan beskrivits.

Det är på flera sätt fördelaktigt att använda oktago- 458 4'O4 11 nal ytterprofil. Den större materialâtgången ger visserligen ett ökat strömningsmotstând, men detta blir mindre än om samma materialmängd används i cirkulära hylsor, eftersom tillsatsmaterialet inte kräver någon minskning av hylsor- nas innerdiameter, vilket skulle ge en större ökning av strömningsmotståndet.

En annan fördel är att en ännu större del av fjädern 18 kommer att skuggas av hylsornas väggar, vilket ytterli- gare sänker strömningsmotståndet.

Den åttkantiga formen ger också stora kontaktytor hylsorna 11' emellan, så att den våta arean blir mindre och så att distansanordningen blir starkare och styvare. Å andra sidan måste man tillse att kylmedel hindras från att stagnera mellan kontaktytorna och korrodera dessa.

Detta kan uppnås genom en runtgâende svetsfog eller före- trädesvis genom att hela kontaktytorna sammanfogas genom hârdlödning.

Hylsorna 11' enligt fig. 6 och 7 kan ha ett höjdmått av ca 15 mm och ungefär samma innerdiameterf I jämförelse med en distansanordning, bestående av hylsor som har cirkulär utsida men i övrigt samma dimen- sioner ger ett arrangemang med hylsorna 11' en minskning av hydridkoncentrationen med ca 48%. ...r I

Claims (7)

14581404. l 12 Patentkrav

1. Distansanordning, avsedd att i bränslepatroner för kärnreaktorer hålla ett flertal lângsträckta element, särskilt patronens bränslestavar (28), lägesfixerade i sidled och väsentligen bestående av ett flertal, vid sidan av varandra belägna och med varandra förbundna, hyl- sor (11), som vardera genomgås av ett av elementen, k ä n n e t e c k n a d av attzi sidled'orienterade blad- fjäderorgan (18) vart och ett överbrygga: två varandra närliggande hylsor och skjuter in Ldan, så att de i sidled stöder elementen (28) inuti dessa hylsor, i vilkas var- andra närbelägna väggpartier finns'urtagningar (19) för fjäderorganets centrala parti, medan dettas ändar (27) är införda i öppningar (21) i hylsornas väggar, varjämte fjäderorganets (18) centrala del har ett V-fo rmat parti (22), vars spets (23) sträcker sig in mot de sidopartier av hylsorna (11) som anligger mot varandra, så att i hyl- sornas tomma tillstånd fjäderns centrala parti stöder mot nämnda sidor och härigenom dels förspänner fjädern (18), dels begränsar den utsträckning i vilken denna skjuter in i hylsorna, varigenom elementens införande i dessa under- lättas, samt från nämnda parti (22) utgår två sidoriktade armar, som var och en har en relativt lång mellandel (24), ett kortare, i förhållande till mellandelen vinkelbockat ytterparti (26) samt ett ändparti (27) med reducerat höjd- mått, vilka ändpartier vartdera skjuter in i en av öpp- ningarna, så att fjäderns härigenom bildade skulderpartier (33) anligger mot hylsornas innervägg intill öppningarna' i¿och för lägesfixering och fasthållning av fjädern, var- jämte fjäderns centrala parti ej är lägesfixerat, då ett element är infört i tillhörande hylsa.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de delar (24) av fjädern som är anordnade att koma i kontakt med elementen (28) har vârtliknande organ (29), L i _ 14581,; 404 '..-'1 _ : 13 som begränsar kontaktarean mellan fjädern (18) och elementen (28).

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att hylsornas (11') yttervâgg har oktagonal profil och deras innervägg har cirkulär profil.

4. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av att hylsornas (11, 11') höjdmâtt under- stiger deras innerdiameter.

5. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av att förhållandet mellan hylsornas (11, 11') exponerade area och deras volym uppgår till mellan ca 50 och 70.

6. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av att åtminstone två vid sidan av var- andra belägna och relativt styva stopporgan (31) skjuter in i vardera av hylsorna (11, 11') väsentligen diametralt mitt emot det ställe där fjädern (18) genomgår hylsan, så att elementet (28) kommer att städas i sidled mellan fjädern och åtminstone två sådana stopporgan (31)..

7. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av att stopporganen (31) är utförda i ett stycke med hylsorna (11) och har bildats genom att i dessas väggar upptagits ett antal parvis belägna slitsar, varefter väggpartiet mellan slitsarna tryckts radiellt inåt. s' i B, Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda varandra intilliggande hylsor har övre och undre ändpartier (13, 14) med större ytter- diameter än huvuddelen (16), varigenom mellan hylsorna bildas en smal spalt (17) för cirkulation av kylmedel.