SE470170B - Sätt vid drift av en kärnreaktor av kokvattentyp - Google Patents

Description

470 170 2 moderationen är sämst och låga anrikningar, dvs bränslestavar med låg halt fissilt material, utefter den breda vattenspalten, där moderationen är god. Detta är nödvändigt för att prestanda med avseende på de termiska marginalerna skall vara goda, när bränslepatronen är relativt färsk och har hög effekt. Med termiska marginaler avses därvid i första hand mar- *I ginaler till dryout, dvs till effekter, där risk föreligger att vatten- filmer bryts sönder på bränslestavar i bränslepatronen och marginaler till 1 effekter, där risk föreligger att längdvärmebelastningen på bränslestav- arna ger upphov till skador på den kapsling, som omger kärnbränslemate- rialet till följd av uppträdande svällning av kärnbränslematerialet.

Den föreliggande uppfinningen baserar sig på insikten att avsevärda besparingar i bränslekostnader kan göras genom att vissa under en drift- period använda bränslepatroner vrides 1800 kring resp bränslepatrons vertikala axel och användes under den efterföljande driftperioden utan att upprätthållande av de tidigare nämnda termiska marginalerna äventyras, och samtidigt som kraven på andra för reaktorns drift kritiska faktorer såsom intern formfaktor och avställningsmarginal kan uppfyllas. Genom att vrida bränslepatronerna kan man tillgodogöra sig en kraftig reaktivitetsvinst, eftersom höga anrikningar då vändes mot en bred vattenspalt.

Det som kännetecknar den föreliggande uppfinningen är att efter en drift- period för reaktorn av minst två år, åtminstone huvuddelen av de under driftperioden använda bränslepatroner, som befinner sig i eller som efter driftperioden flyttats till en längst ut i härden belägen randzon vrides 1800 kring resp bränslepatrons vertikala centrumlinje varvid randzonen sträcker sig runt härden och omfattar de tre längst ut i härden belägna bränslepatronerna samt att de vridna bränslepatronerna användes för en efterföljande driftperiod för reaktorn. I den nämnda randzonen befinner sig patroner, en del av dem eventuellt efter omflyttning inom härden, som har tillräckligt hög utbränning och avger tillräckligt låg effekt för att kunna vridas. Även enstaka bränslepatroner, som är belägna innanför rand- zonen och som har hög utbränning och låg effekt kan gå att vrida utan att reaktorns drift äventyras.

Det är särskilt lämpligt att utföra vridningen i samband med en partiell omladdning av reaktorn. Vid en sådan omladdning ersättas som tidigare nämnts en del av under den avslutade driftperioden använda bränslepatroner med färska bränslepatroner och en del omplaceras i nya positioner i här- den. 476 170 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen tillämpas uppfinningen på en reaktor, där varje bränslepatron är sammansatt av fyra vertikala delpatroner, vilka är åtskilda av en vertikal vattenkanal med i huvudsak korsformigt tvärsnitt. Särskilt gynnsamma resultat uppnås med bränsle- patroner av det nämnda slaget om varje delpatron består av 25 bränsle- stavar och eventuellt förekommande icke-energiproducerande stavar an- ordnade i ett gitter av 5x5 stavar eller av 24 bränslestavar och even- tuellt förekommande icke-energiproducerande stavar anordnade i ett gitter av 5x5 stavar men med den stav avlägsnad som är belägen närmast den korsformiga vattenkanalens centrumlinje för att åstadkomma ett förstorat centrum hos vattenkanalen. Vid användning av bränslepatroner med ett så stort antal bränslestavar blir bränslestavarnas värmeöverförande yta för en given bränslemängd förhållandevis stor vilket ökar möjligheterna att tillgodogöra sig de resultat som kan uppnås enligt den föreliggande upp- finningen. Enligt andra lämpliga utföringsformer av uppfinningen kan varje bränslepatron bl a bestå av 9x9, 10x10 eller 11x11 bränslestavar, eller eventuellt fler bränslestavar utan att vara uppdelad i delpatroner.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett utförings- exempel under hänvisning till bifogad ritning, i vilken fig 1 visar en för utförande av sättet enligt uppfinningen lämplig bränslepatron i vertikal- snitt genom linjen I-I i fig 2, fig 2 samma bränslepatron i vy vinkelrätt mot ett horisontalplan genom linjen II-II i fig 1, fig 3 schematiskt ett horisontellt snitt av en hel reaktorhärd, fig 4 ett horisontellt snitt av en del av en reaktorhärd i större skala, fig 5 en bränlepatron enligt fig 1, i vilken initial halt klyvbart material angivits för varje däri ingå- ende bränslestav, fig 6 samma bränslepatron som i fig 5 efter ZU månaders drift av reaktorn, fig 7 samma bränslepatron som i fig 6 efter vridning 180° kring bränslepatronens centrumlinje och fig 8 ett horisontellt snitt av en bränslepatron av annat slag än den i fig 1-3. Fig 5, 6 och 7 är ritade i större skala än fig 2 och 8.

Den som exempel valda och i fig 1 och 2 illustrerade bränslepatronen 30 har ett höljerör 1 med i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. Höljeröret om- sluter utan nämnvärt spel ett övre, kvadratiskt parti hos en bottendel 2 470 170 med en cirkulär, nedåt vettande inloppsöppning 3 för kylvatten och mode- ratorvatten. Bottendelen 2 uppbär förutom höljeröret 1 en bärplatta 4.

Höljeröret 1 har nederst ett relativt tjockt väggparti, som kan vara fixerat vid bottendelen 2 och bärplattan 4 med flera horisontella bultar, antydda med streck-prickade linjer 5. Höljeröret är uppdelat i fyra ver- tikala delar 6 med en ihåligt kanalbildande stödorgan 7, som är fast för- bundet med höljerörets fyra väggar. Det kanalbildande stödorganet består av fyra ihåliga flyglar 8 och ett ihåligt förstorat korscentrum 23 och bildar en vertikal kanal 24 med korsformigt tvärsnitt. Kanalen 24 är nederst förbunden med ett inloppsrör 9 för moderatorvatten. De fyra ver- tikala delarna 6 bildar delpatroner innehållande var sitt knippe bränsle- stavar 10 anordnade i ett symmetriskt gitter med 5x5 stavar, där varje knippe har ett förminskat hörnparti på så sätt, att från ett kvadratiskt gitter av likformigt fördelade bränslestavar har en stav tagits bort i ett hörn. Varje delpatron är anordnad med en gallerliknande bottenplatta 11, en gallerliknande topplatta 12 och ett flertal spridare 13. Höljeröret 1, det kanalbildande organet 7 och spridarna 13 kan vara gjorda av en zirko- niumlegering såsom Zircaloy 4. De fyra bottenplattorna 11 uppbärs av bär- plattan N och är delvis införda i var sitt kvadratiskt hål lä hos denna. I varje delpatron kan minst en av bränslestavarna vara utförd med relativt långa gängade ändpluggar, varvid den nedre ändpluggen är förd genom bot- tenplattan 11 och försedd med en mutter 15, medan den övre ändpluggen är förd genom topplattan 12 och försedd med en mutter 16. En bränslestav 10 består av ett antal cirkulärcylindriska kutsar av urandioxid staplade på varandra och inkapslade i ett kapslingsrör av Zircaloy-2.

Ett övre ändparti av höljeröret 1 omsluter en lyftplatta 17, som delvis ligger an mot höljerörets inre väggyta. Ett lyfthandtag 18 är förbundet med lyftplattan och bildar tillsammans ett helgjutet lyftorgan av stål.

Lyftplattan 17 är fixerad vid det kanalformade stödorganet 7 genom att exempelvis vertikala skenor 19 är införda i var sin flygeldel 8 hos stöd- organet 7 och fast förbundna med denna. Varje skena 19 har överst ett vertikalt, bultliknande parti 20, som med spel är fört genom ett motsvar- ande hål i lyftplattans mittparti och försett med en mutter 21. Höljeröret 1 kan såsom det framgår av figuren vara försett med i längsriktningen intermittent anordnade inpressningar 22 mot vilka det kanalformiga stöd- organet är fast förbundet. ä 470 "V70 I den i fig 3 schematiskt illustrerade reaktorhärden visas endast bränsle- patroner 30 medan vattenspalter och styrstavspositioner mellan dem i här- den inte är visade. Bränslepatroner i en längst ut i härden belägen rand- zon 25 är markerade med kryss och är betecknade 30a. Härden har en där innanför belägen central zon, som är betecknad 26. I det exemplifierade fallet har härden 76ü bränslepatroner med en tilltänkt slututbränning av över 40 MWd/kgU.

I fig U visas en liten del av reaktorhärden enligt fig 3. Snittet inne- håller 9 hela bränslepatroner 30, 30a av i fig 1 och 2 illustrerat slag.

Av bränslepatronerna visas endast en i detalj, övriga endast som tomma rutor. Utrymmena mellan bränslestavarna 10 inom varje delpatron 6 genom- strömmas av vatten, liksom kanalen 24. Spalterna 27a och 27b mellan bränslepatronerna genomströmmas också av vatten. De spalter 27a där styr- stavar 28 kan införas är bredare än de spalter 27b, där inga styrstavar kan införas. En eller flera av bränslestavarna kan vara utbytt mot en icke-energiproducerande stav. Sålunda kan t ex stavarna 29 (fig 2 och 4) vara utbytta mot en massiv eller vattenfylld stav av Zircaloy-2. Styrstav- arna 28 har blad 28a, 28b, 28c och 28d, som bildar ett rätvinkligt kors.

Av de hela bränslepatronerna i den visade delen av härden ingår tre be- tecknade 31a i randzonen 25 och där i en patronrad, som är belägen innan- för två ytterst i härden belägna patronrader, och sex betecknade 30 i där innanför belägna patronrader, dvs i den centrala zonen 26.

Vid uppbyggnad av en bränslepatron användes bränslestavar med olika anrik- ningshalter fissilt material i olika positioner. I fig 5 illustreras ett exempel på en färsk bränslepatron för användning inom hela härden vid utövande av den föreliggande uppfinningen. I bränslestavarna angivna siff- ror utgör initialhalt U235 i resp bränslestav uttryckt i procent av be- gynnelsevikten uran i bränslet. Åtta olika anrikningshalter användes, näm- ligen 1,71 x, 2,36 7:, 2,64 x, 3,00 z, 3,50 x, 4,07 x, 14,60 7: och 4,95 X.

Dessutom användes stavar med en anrikningshalt av 3,50 X tillsammans med gadoliniumoxid i en halt av 6,30 X, också räknad på begynnelsevikten uran.

De sistnämnda stavarna är betecknade 3,50 Gd i fig 5. För att visa patro- nens position i förhållande till vattenspalterna 27a och 27b är dessa mar- kerade med streckade linjer. Medelanrikningen i den färska patronen uppgår till 3,628 %. Varje bränslepatron är orienterad så i härden att hörn- bränslestaven med anrikningen 1,71 % är belägen vid korsningen av de breda vattenspalterna 27a, dvs närmast centrumlinjen på en styrstavsposition.

Claims (4)

470 170 Sedan reaktorn i ett exemplifierat fall varit i drift under ca 24 månader avställes den och det utföres en partiell omladdning av den. Därvid er- sättes 240 av bränslepatronerna med färska patroner. Dessa placeras med enstaka undantag i den centrala zonen 26 (fig 3). En del av de ersatta patronerna omplaceras i härden, till en del inom den centrala delen och till en del genom utflyttning till randzonen 25. De patroner, som använts under den avslutade driftperioden och som befinner sig i eller flyttats till rand- zonen har höga eller relativt höga utbränningar, såsom omkring 20 MWd/kgU. Åtminstone huvuddelen, dvs åtminstone mer än 50 X, av dessa, vrides enligt den föreliggande uppfinningen 1800 kring sin egen axel. I det exemplifierade fallet vrides 228 patroner. Den patron som visas i fig 5 och som bibehålles i sin position i härden uppvisar efter den avslutade driftperioden en anrikningsfördelning, som framgår av fig 6. Dess medel- anrikning uppgår till 1,64 1 U 235 och ca 0,64 X fissilt plutonium. Utbränningen uppgår till 22 MWd/kgU. Fig 7 illustrerar samma patron efter vridningen. Efter en ytterligare driftperiod av 24 månader är medelanrik- ningen i den i fig 7 illustrerade patronen 0,81 X U 235 och ca 0,49 X fissilt plutonium. Utbränningen är då ca 36 MWd/kgU. I fig 6 och 7 är anrikningshalten U 235 angiven i övre och anrikningshalten fissilt pluto- nium i nedre raden i varje bränslestav; alla siffror avser halter i vikt- procent. I fig 8 visas ett tvärsnitt av en annan bränslepatron med fyra vertikala delpatroner 6, vilka är åtskilda av en vertikal vattenkanal 24 med i huvudsak korsformigt tvärsnitt. Varje delpatron består av 25 bränslestavar 10 och eventuellt förekommande icke-energiproducerande stavar anordnade i ett gitter av 5x5 stavar. Även en sådan patron lämpar sig väl för använd- ning enligt den föreliggande uppfinningen, liksom bl a de tidigare nämnda bränslepatronerna innehållande 9x9, 10x10 och 11x11 bränslestavar. PATENTKRAV

1. Sätt vid drift av en kärnreaktor av kokarvattentyp med en reaktorhärd innehållande ett flertal vertikala bränslepatroner (30, 30a) med i huvud- sak kvadratiskt tvärsnitt, anordnade i ett gitter med varje bränslepatron ingående i två mot varandra vinkelräta, av mellanliggande vattenspalter (27a, 27b), åtskilda rader av bränslepatroner och varvid var och en av två mot varandra vinkelräta, vertikala sidor på en bränslepatron är vänd mot en vattenspalt (27a) som har större bredd än den vattenspalt (27b), som dess motstående vertikala sida är vänd mot, k ä n n e t e c k n a t av *x 470 170 att efter en driftperiod för reaktorn av minst två år, åtminstone huvud- delen av de under driftperioden använda bränslepatroner, som befinner sig i eller som efter driftperioden flyttats till en längst ut i härden be- lägen randzon (25) vrides 1800 kring resp bränslepatrons vertikala centrumlinje, varvid randzonen sträcker sig runt härden och omfattar de tre längst ut i härden belägna bränslepatronerna, samt att de vridna bränslepatronerna användes för en efterföljande driftperiod för reaktorn.

2. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vridningen av bränslepatronerna (30, 30a) utföres i samband med en partiell omladd- ning av reaktorn efter en driftperiod, varvid en del av under driftperio- den använda bränslepatroner ersättas med färska bränslepatroner och en del omplaceras i nya positioner i härden.

3. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a t av att varje bränslepatron (30, 30a) är sammansatt av fyra vertikala delpatroner (6), vilka är åtskilda av en vertikal vattenkanal (24) med i huvudsak korsformigt tvärsnitt.

4. Sätt enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t av att varje delpatron (6) består av 25 bränslestavar och eventuellt förekommande icke-energiproducerande stavar anordnade i ett gitter av 5x5 stavar. S. Sätt enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t av att varje delpatron (6) består av 24 bränslestavar och eventuellt förekommande icke-energiproducerande stavar anordnade i ett gitter av 5x5 stavar med den stav avlägsnad, som är belägen närmast den korsformade vattenkanalens centrum under bildning av ett förstorat centrum hos vattenkanalen.