SE504360C2 - Bränslepatron för kokarvattenreaktor innefattande en grupp bränslestavar med ett fissionsgasplenum omslutet av ett plenumrör - Google Patents

Description

504 360 hä fissionsgasplenum anordnat i dess övre del ovanför reaktorhärden och ger därmed en minimal päverkan pä reaktorns effektivitet. En bränslestavs aktiva längd är längden av den del av bränslestaven som innehäller bränslekutsar och innefattar ej fissionsgas- plenum.

Härden är nedsänkt i vatten vilket tjänstgör bäde som kylmedel och som neutronmoderator. Under drift övergår en del av vattnet till änga. högre upp i bränslepatronen desto högre är andelen änga. När I bränslepatronens nedre del finns bara vatten men ju andelen änga stiger försämras neutronmodereringen eftersom ànga är en sämre moderator än vatten. Reaktorns reaktivitet beror av För att förbättra reaktiviteten mäste vatten/bränsle förhällandet i bränsle- förhällandet mellan bränsle och moderator. patronens övre del ökas.

Ett sätt att erhälla ett högre vatten/bränsle förhällande i bränslepatronens övre del är att byta ut huvuddelen av bränsle- stavarna mot bränslestavar som är avsmalnande i axiell riktning.

I General Electrics patentansökan E2;Q,§l§jl2lê}_(prioritet: 17.05.91 US 701916) visas en bränslestav vilken innefattar en undre stapel av bränslekutsar med en relativt större diameter, och en övre stapel av bränslekutsar med en relativt mindre diameter och ett kapslingsrör, vilket innefattar en undre grövre del som omsluter den undre stapeln av bränslekutsar, en övre smalare del som omsluter den övre stapeln av bränslekutsar, samt ett övergàngsparti mellan den undre och den övre delen. Bränsle- staven som beskrivs i nämnda EP-skrift har tvä fissionsgas- plenum, ett i bränslestavens övre del och ett i bränslestavens undre del.

För att åstadkomma ett optimalt bränsle till moderator- förhällande med avsmalnande bränslestavar bör alla eller ätminstone huvuddelen av bränslestavarna utgöras av avsmalnande bränslestavar. Nackdelen med avsmalnande bränslestavar är att det är dyrt att tillverka bränslekutsar med tvä olika diametrar och avsmalnande kapslingsrör, jämfört med vanliga jämntjocka bränslestavar där alla bränslekutsarna har samma diameter och kapslingsröret är rakt. Eftersom huvuddelen av bränslestavarna 3 504 360 utgöras av avsmalnande bränslestavar blir den totala kostnaden för bränslepatronen hög.

Ytterligare ett sätt att minska bränslemängden i en bränsle- patrons övre del är att byta ut en del av bränslestavarna mot dellänga bränslestavar. Dellänga bränslestavar har en kortare axiell utsträckning än traditionella hellänga bränslestavar. I patentskriften EP-0 336 203 Bl (prioritet 04.04.88 US 176975) visas en bränslepatron i vilken huvuddelen av bränslestavarna är hellänga, dvs de sträcker sig frän bottenplattan till topp- plattan, och ett mindre antal bränslestavar är dellänga, dvs de sträcker sig frän bottenplattan mot topplattan men slutar en bit nedanför topplattan. För att de dellänga stavarna ska hällas pä plats fixeras de i bottenplattan. Fixeringen kan t ex ske genom att bottentappen förses med gängor och skruvas fast i botten- plattan.

Med jämna mellanrum sker inspektion och service av bränsle- patronerna bl a för att upptäcka och ätgärda bränsledskador sä tidigt som möjligt för att förhindra omfattande läckage av bränsle och fissionsprodukter. Inspektionen och servicen sker i en speciell bassäng som bränslepatronerna flyttats till.

Bränslepatronerna är endast ätkomliga ovanifrän sä bränsle- stavarna mäste lyftas ur ovanifrän. De ickebärande hellänga bränslestavarna är enkla att lyfta upp eftersom de ej är fixerade i bottenplattan. De bränslestavar som är fixerade i bottenplattan mäste lossas frän denna, vilket kan innebära komplikationer, speciellt dä bränslepatronen blir äldre och fixeringen kan börja kärva. Ytterligare ett problem som uppstär när de dellänga bränslestavarna ska lyftas upp är att de är svära att nä och att greppa ovanifrän. Det krävs därför special- byggda verktyg för att lyfta ur de dellänga bränslestavarna.

I ovan nämnda EP ansökan (EP-0 336 203 Bl) visas en delläng bränslestav vilken har försetts med en förlängning i form av en skruvad fena (swirl vane) som kastar vattendroppar ut ät sidorna sä att de träffar angränsande bränslestavar. Pä sä sätt uppnäs en förbättrad marginal till torrkokning, s k dryoutmarginal. För att uppnä en ökning av dryoutmarginalen räcker det att den skru- 504 360 'f vade fenan sträcker sig som längst utmed de övriga bränsle- stavarnas aktiva längd.

För att erhålla ett optimalt vatten/bränsle förhållande i bränslepatronen bör bränslepelaren i en dellång brånslestav ha en viss optimal höjd. Bränslepelarens optimala höjd kan tas fram med beräkningar. Ett problem med dellånga bränslestavar är var fissionsgasplenum ska placeras för att ge minsta möjliga påverkan på reaktorns effektivitet. I ovan nämnda EP ansökan (EP-O 336 203 Bl) diskuteras detta problem i kolumn 18 rad 52 - 58 och kolumn 19 rad 5 - 22. En sätt är att anordna fissions- gasplenum i de dellånga bränslestavarnas övre del, dvs ovanför bränslepelarens optimala höjd. Det finns dock flera stora nackdelar med att placera fissionsgasplenum i den dellånga bränslestavens övre del. En nackdel är att en del av den volym som kunde ha fyllts med moderator inte kan utnyttjas, och detta i ett område där moderator redan är en bristvara. Denna lösning ger också ett antal relativt stora bränsle- och moderatorfria volymer centralt i härden, vilket varken är bra ur neutron- synpunkt eller ur effektivitetssynpunkt. Som en bättre lösning på problemet föreslås att hela eller åtminstone en del av fissionsgasplenum placeras i botten av bränslestaven. En nackdel med den lösningen år att den totala bränslemängden i bränsle- staven minskar med 5 - 10 % vilket leder till en oönskad effektivitetssånkning.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL OCH FÖRDELAR Uppfinningen avser att åstadkomma en bränslepatron av det inled- ningsvis angivna slaget som - är enkel att demontera vid inspektion och service av bränsle- patronen. - är relativt billig att tillverka, - har ett optimalt vatten/bränsle förhållande, - vars fissionsgasplenum är anordnade så att de ger minsta möjliga påverkan på reaktorns effektivitet.

Det i första hand utmärkande för en brånslepatron enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkravets 1 kännetecken. s 504 360 Fördelaktiga vidareutvecklingar och utföringsformer av anord- ningen enligt uppfinningen har de i kraven 2 - 8 angivna känne- tecknen.

Genom att göra plenumdelen tillräckligt smal räcker det med ett fatal bränslestavar med reducerad aktiv längd för att ästadkomma ett optimalt vatten/bränsle förhällande i bränslepatronens övre del. Eftersom huvuddelen av bränslestavarna är vanliga jämn- tjocka bränslestavar hälls priset pä bränslepatronen nere.

Tack vare att alla bränslestavarna i bränslepatronen är av samma längd är det enkelt att lyfta ur bränslestavarna ur bränsle- patronen for inspektion och service. För att lyfta ur bränsle- stavarna behövs inga specialverktyg eller nagot extra för- farandesteg jämfört med att lyfta ur traditionella bränsle- StaVaI' .

Genom att sprida ut fissionsgasplenum i bränslestavens längdriktning undvikes att en stor bränsle- och moderatorfri volym bildas centralt i bränslepatronen. Eftersom inget fissionsgasplenum behövs i botten av bränslestaven kan nästan hela höjden i bränsledelen utnyttjas för bränslekutsar, vilket höjer bränslepatronens effektivitet.

FIGURBESKRIVN ING I det följande ska uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningar, vilka säsom exempel visar en fördel- aktig utföringsform av en bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 1 visar schematiskt en utförandeform av en bränslepatron enligt uppfinningen i ett snitt genom linjen A-A i figur 2.

Figur 2 visar bränslepatronen i figur 1 i en vy vinkelrät mot ett horisontalplan genom linjen B-B i figur 1.

Figur 3 visar schematiskt en utföringsform av en bränslestav med reducerad aktiv längd enligt uppfinningen.

Figur 4 visar en annan utföringsform av en bränslestav med reducerad aktiv längd.

Figur 5 visar ett exempel pä en stödhylsa. 504 360 6 Figur 6 visar mera i detalj en del av bränslepatronen enligt uppfinningen i ett snitt genom linjen C-C i figur 2.

Figur 7 visar ett snitt genom linjen D-D i figur 2.

Figur 8a visar ett snitt genom linjen E-E i figur 6.

Figur 8b visar ett snitt genom linjen F-F i figur 6.

Figur 8c visar ett snitt genom linjen G-G i figur 6.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 - 2 visar en bränslepatron 1 av kokarvattentyp som inne- fattar en läng rörformig behällare, med rektangulärt tvärsnitt, benämnd höljerör 2. Höljeröret 2 är öppet i bäda ändar, sä att det bildas en genomgäende strömningspassage, genom vilken vatten strömmar. Höljeröret 2 är försett med ett ihäligt, med kors- format tvärsnitt utformat stödorgan 3a, 3b, som är fast för- bundet med höljerörets fyra väggar. Stödorganet bestär av fyra ihäliga flyglar 3a och ett iháligt förstorat korscentrum 3b.

Stödorganet 3a, 3b bildar en vertikal kanal 4 genom vilken ickekokande vatten strömmar uppät genom bränslepatronen. Hölje- röret med stödorgan omsluter fyra vertikala kanalformade delar Sa - Sd. snitt. Varje delkanal innehäller ett bränsleknippe innefattande 6b och 6c. En bränslestav innefattar ett antal cylindriska kutsar 7 av uran- s k delkanaler, med ett i huvudsak kvadratiskt tvär- ett flertal parallellt anordnade bränslestavar 6a, dioxid staplade pä varandra och inkapslade i ett kapslingsrör l4a, l4b.

Bränslestavarna är anordnade i ett symmetriskt 5x5 gitter i vilket alla bränslestavspositioner utom en är besatta med bränslestavar. Bränslestavarna är av tvà olika typer, dels jämntjocka bränslestavar 6a vars diameter är i huvudsak konstant utmed hela sin vertikala längd, och dels avsmalnande bränsle- stavar 6b, 6c med reducerad aktiv längd. Alla bränslestavarna i ett bränsleknippe sammanhälls upptill av en topplatta 8 och 6b, 6c hälls medelst spridare 10 pà avständ frän varandra och hindras frän nedtill av en bottenplatta 9. Bränslestavarna 6a, att böja sig eller vibrera dä reaktorn är i drift. Utrymmena mellan bränslestavarna inom varje delkanal genomströmmas av vatten och änga. Varje bränsleknippe innefattar tvä avsmalnande ¥ 504 360 bränslestavar med reducerad aktiv längd 6b, vilka är anordnade bredvid varandra och intill stödorganets korscentrum 3b, och en avsmalnande bränslestav med reducerad aktiv längd 6c som omges av jämntjocka bränslestavar 6a.

Figur 3 visar en avsmalnande bränslestav med reducerad aktiv längd 6b i genomskärning. Bränslestaven 6b innefattar en bränsledel 11, en plenumdel 12, ett övergàngsparti 13 mellan bränsledelen och plenumdelen, en bottentapp l9a för infästning i bottenplattan och en topptapp l9b för infästning i topplattan.

Bränsledelen ll är anordnad i bränslestavens nedre del och inne- fattar ett kapslingsrör 14b som omsluter en stapel av bränsle- kutsar 7. Ovanför bränslekutsarna finns ett kort utrymme 15 som tilläter att bränslekutsarna expanderar pà grund av värme- utvidgning och besträlningstillväxt.

Plenumdelen 12 innefattar ett ihäligt plenumrör 16 vars diameter är väsentligt mindre än kapslingsrörets diameter. Företrädesvis är plenumrörets diameter mindre är 2/3 av kapslingsrörets dia- meter. Plenumröret är tillslutet i sin övre ända. Fissionsgas- plenum 17 utgörs av det utrymme som omsluts av plenumröret 16. Övergängspartiet mellan plenumdelen och bränsledelen är öppet sà att de fissionsgaser som bildas i bränslekutsarna kan passera frän bränsledelen till fissionsgasplenum. Kapslingsröret är i sin nedre del förslutet med en bottenplugg 18. Plenumdelen utgör ca en tredjedel av bränslestavens totala längd. För att öka styrkan och styvheten hos plenumröret är det lämpligt att plenumröret har en större godstjocklek än kapslingsröret.

Spridarna 10 är försedda med ett flertal öppningar motsvarande antalet bränslestavar 6a och 6c i bränsleknippet. När bränsle- stavarna skjuts in i eller ut ur bränslepatronen förs de genom dessa öppningar. Alla spridarhäl har samma diameter oavsett om tillhörande bränslestav är jämntjock 6a eller avsmalnande 6c.

Figur 4 visar en avsmalnande bränslestav 6c med reducerad aktiv längd. Den har samma uppbyggnad som bränslestaven 6b i figur 3 och innefattar dessutom ett antal stödhylsor 20 anordnade pà plenumröret i höjd med spridarna. Stödhylsorna 20 har en dia- meter som motsvarar kapslingsrörets diameter och har till 504 360 '5 uppgift att passa in i spridarhälen och pá sä sätt ge bränsle- staven stöd mot spridarna. Stödhylsorna kan vara utformade pä olika sätt.

I figur 5 visas ett exempel pä en stödhylsa 20 som i sin nedre ände är försedd med inströmningshäl 21 och i sin övre ände är försedd med utströmningshäl 22 sä att vatten kan strömma genom stödhylsan.

Ett problem med en bränslestav med en läng och smal plenumdel är att den inte är lika styv i sin övre del som en jämntjock bränslestav. Detta kan lösas t ex med kortare avständ mellan spridarna eller mellanspridare mellan de ordinarie spridarna.

Figur 6, 7 och 8a - 8b visar en lösning där tva angränsande avsmalnande bränslestavar sammanbinds med tvärstag. Tvärstagen har till uppgift att stödja och förstyva bränslestavarna. De kan även utformas för att rikta vattenflödet och därigenom minska risken för dryout i bränsleknippet. Tvärstagen kan svetsas fast direkt pä bränslestavarna, eller svetsas mot hylsor som sedan träs över bränslestavarna och läses axiellt.

I figurerna 6, 7 och 8a - 8b visas tre olika typer av tvärstag , 27, 29. I höjd med en spridare 10 anordnas ett tvärstag 25 som sammanbinder tva avsmalnande bränslestavar 6b och sammtidigt ger ett stöd mot spridaren 10. Spridaren 10 har i dessa lägen en öppning som motsvarar tva stavar sä att stavarna fritt kan dras uppàt. Tvärstaget 25 är försett med styrflikar 26 som förhindrar att tvärstagen hakar i spridarna när brànslestavarna förs ut eller in i brànslepatronen. Tvärstag 27 sammanbinder tva av- smalnande bränslestavar. Tvärstag 29 sammanbinder tvä avsmal- nande bränslestavar och ger samtidigt ett stöd mot stödorganet 3b. Tvärstagen 27 och 29 är försedda med avlänkningsfenor 28 som avlänkar vattenflödet och därmed förbättrar dryoutmarginalen.

För att uppnä fördelarna med uppfinningen bör huvuddelen av plenumdelen ha en tvärsnittsarea som är mindre än hälften av tvärsnittsarean i bránsledelen. Företrädesvis bör huvuddelen av plenumdelen ha en tvàrsnittsarea som är ca en tredjedel av tvärsnittsarean i bränsledelen. Med tvärsnittsarean avses den 7 504 360 totala tvärsnittsarean. dvs den tvärsnittsarea som motsvarar plenumrörets respektive kapslingsrörets ytterdiameter. Plenum- delen bör också uppta mer än 20 % av bränslestavens totala längd för att ge ovannämnda fördelar.

Den aktiva längden för bränslestavar med reducerad aktiv längd är företrädesvis mindre än 80 % av den aktiva längden för övriga bränslestavar i bränslepatronen.

I en annan utföringsform kan plenumdelen, företrädesvis i sin övre del, innefatta en del vars tvärsnittsarea är större än tvärsnittsarean i resten av plenumdelen.

Claims (8)

504 360 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. Branslepatron för kokarvattenreaktor innefattande en bottenplatta (9), en topplatta (8), en första och en andra grupp vertikala bränslestavar (6a, 6b, 6c) som var och en innefattar en stapel av bränslekutsar (7) omslutna av ett kapslingsrör (l4a, 14b), varvid den andra gruppen bränslestavar (6b) har en kortare aktiv längd än den första gruppen bränslestavar (6a) k ä n n e t e c k n a d a v att - báde den första och den andra gruppen bränslestavar sträcker sig mellan bottenplattan och topplattan, - den andra gruppen bränslestavar (6b) innefattar ett fissions- gasplenum (17) omslutet av ett plenumror (16) anordnat ovanför kapslingsröret (l4b) och att huvuddelen av plenumröret har en tvärsnittsarea som är mindre än kapslingsrörets tvärsnittsarea.

2. Branslepatron enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d (16) som är mindre än hälften av kapslingsrörets har en tvärsnittsarea (l4b) a v att huvuddelen av plenumröret tvärsnitts- area .

3. Bränslepatron enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att huvuddelen av plenumröret (16) har en tvärsnittsarea som är mindre än 40 % av kapslingsrörets (l4b) tvärsnittsarea.

4. Bränslepatron enligt nagot av de föregående patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att den aktiva längden hos den andra gruppen bränslestavar (6b) är mindre än 80 % av den aktiva längden hos den första gruppen bränslestavar (6a).

5. Bränslepatron enligt nàgot av de föregående patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att fissionsgasplenum (17) hos den andra gruppen bränslestavar utgör minst 20% av bränslestavens totala höjd. 10 15 n 504 360

6. Brånslepatron enligt något av patentkraven l - 4 k å n n e t e c k n a d a v att fissionsgasplenum (17) hos den andra gruppen brånslestavar utgör minst 30 % av brånslestavens totala höjd.

7. Brånslepatron enligt något av de föregående patentkraven (10) for att hålla branslestavarna på avstånd från varandra k å n n e t e c k n a d a v att en innefattande en spridare brånslestav (6b) ur den andra gruppen innefattar en stödhylsa (20) anordnad på plenumróret (16) för att stå i kontakt med spridaren.

8. Bránslepatron enligt något av de föregående patentkraven k a n n e t e c k n a d a v att två intill varandra liggande brånslestavar (6b) ur den andra gruppen år sammanfogade med tvarstag (25, 27, 29) anordnade på plenumröret (16).