SE505682C2 - Bränslepatron för kärnreaktor - Google Patents

Description

505 682 2 Uppfinningen beskrivs närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig 1 är en tvärsektionsvy som visar en föredragen utföringsform av bränslepatronen enligt föreliggande upp- finning, vilken patron har laddats i en kokvattenreaktor; fig 2 är en vy som används för att förklara anrik- ningsgraden av bränslestavarna, som bildar bränslepatro- nen, och fördelningen av gadolinium; fig 3, 5, 7 och 9 är sektionsvyer av andra föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning; fig 4, 6, 8 och 10 är vyer som används för förklaring av anrikningsgraden och idéen bakom gadoliniumfördelningen i de bränslestavar som visas i fig 3, 5, 7 och 9: fig 1l(a) och (b) är vyer för förklaring av idéen bakom bränslepatronens anrikningsgrad och fördelningen av gadolinium, varvid (i) belyser fördelningen av den genomsnittliga anrikningsgraden tvärs en sektion genom patronen och (ii) belyser fördelningen av brännbar absorbator i de bränslestavar, som innehåller brännbar absorbator; fig 12 är ett diagram som belyser förhållandet mellan graden av effektformfaktorökning för längder i axialrikt- ningen motsvarande en parentes av naturligt uran och gra- den av bränsleekonomiförbättring; och fig 13 är ett diagram som belyser förhållandet mellan den axiella längden av sektionen med låg gadoliniumkon- centration och förbättringseffekten avseende bränsleeko- nomin.

En föredragen utföringsform av föreliggande uppfin- ning beskrivs närmare i det följande med hänvisning till fig 1 och 2. En bränslepatron enligt föreliggande uppfin- ning betecknas allmänt med hänvisningssiffran 18 och om- fattar bränslestavar 19, en bränslebox 20, en vattenstav och botten- och topplattor (ej visade). De övre resp undre ändarna pà bränslestavarna 19 och vattenstaven 10 är fästa vid topp- resp bottenplattan. Ett flertal spridare är anordnade i bränslestavarnas 19 axialriktning, så att 505 682 3 avståndet mellan varje bränslestav och vattenstaven 10 bi- behålls på lämpligt sätt. Bränsleboxen 20 är fäst vid topplattan och omger ytterperiferin av knippet av bränsle- stavar 19 som hålls av spridarna. Boxens infästning är förbunden med topplattan, och styrstaven 21 förs in intill bränsleboxen 20.

Bränslestaven 19 består av ett kapselrör eller -hölje, som fyllts med ett flertal bränslekutsar och vars övre och undre ände är avtätade med hjälp av övre och undre pluggar. Bränslekutsarna består av UO2, som är ett bränsleämne och innehåller U-235, som är ett fissionsmate- rial. En förspänd fjäder är insatt i gasutrymmet i syfte att pressa bränslekutsarna nedåt.

Vattenstaven 10 har ett kapselhölje, som väsentligen motsvarar det av bränslestaven 19 och har hål, vilka sträcker sig genom den perifera väggen av höljet (ej visat) vid dess övre och undre ändparti, så att kylmedel kan strömma genom höljet för att förhindra vattenkokning inuti höljet.

En korsformig styrstav 21 förs in i härden för var fjärde bränslepatron. Generellt sett kan härdarna indelas i två typer. En (D-gitterhärd) är sådan att bredden på vattenspalten, som definieras på sidan om bränslepatronens perifera vägg mittemot styrstaven, är större än vatten- spalten som definieras vid sidan om den perifera väggen och inte mittemot styrstaven. Den andra (C-gitterhärd) är sådan att bredden på vattenspalten, som definieras vid sidan om bränslepatronens perifera vägg mittemot styrsta- ven, är lika stor som bredden på vattenspalten, som defi- nieras vid sidan om den perifera vägg på bränslepatronen som inte är belägen mittemot styrstaven.

Bränslepatronen 18 enligt föreliggande uppfinning har laddats i en C-gitterhärd. Det framgår tydligast av fig 1 att bränslepatronen 18 innefattar sju typer av bränse- stavar ll-17, vilka är anordnade i den i fig l visade bränsleboxen 20. I denna utföringsform har vattenstaven stor diameter och upptar samma utrymme som fyra bränsle- 505 682 4 stavar och är anordnad i patronens mitt. Följden är att förhållandet mellan vatten och bränsle blir större jämfört med en konventionell bränslepatron, sà att försämringen av härdegenskaperna beroende pà en hög utbränningsgrad kan elimineras och samtidigt reaktiviteten förbättras.

Var och en av bränslestavarna 11-17 har en sektion (som nedan i denna beskrivning kallas “sektion med paren- tes av naturligt uran"), som fyllts med bränslekutsar av naturligt uran, vid både de övre och de undre ändsektio- nerna av sektionen som fyllts med bränslematerial. Längden (som nedan i denna beskrivning kallas "bränslets effektiva längd H") motsvarar i axialriktningen för varje naturlig parentes 1/24 på axiallängden av den sektion som fyllts med bränslematerial frán sin övre till sin undre ände. Hos föreliggande utföringsform utgör, såsom framgår av fig 12, den axiella längden på parentesen med naturligt uran 1/24 av den effektiva längden H, sá att bränsleekonomin kan förbättras avsevärt. Med sektion som fyllts med bränsle- material avses en sektion som fyllts med bränslekutsar, och den axiella längden pà sektionen som fyllts med bränslematerial i bränslestaven är densamma.

Med avseende pà bränslestavarna ll-17 utgör 1/24- 23/24 av sektionen med bränslelängden H räknat fràn dess undre ände en sektion som fyllts med anrikat uran. Såsom framgår tydligast av fig 2 har sektionen med anrikat uran i bränslestavarna 11, 13, 16 och 17 enhetlig anrikning i axialriktningen, dock har bränslestavarna 12, 14, 15 tre sektioner var i vilka anrikningsgraden är olika i axial- riktningen. Anrikningsgraden i varje bränslestavs anrikade sektion är följande: (a) 4,3 vikt% i bränslestaven 11, och (b) 3,3 vikt% i bränslestavarna 13, 16 och 17.

Hos bränslestaven 12 har 1/24-10/24 av bränslets effektiva längd H, mätt fràn den undre änden på sektionen som fyllts med bränslematerial, en anrikningsgrad på 3,3 vikt%, 10/24-20/24 av den effektiva längden H en koncent- ration pà 3,8 vikt% och 20/24-23/24 av den effektiva 505 682 längden H 3,3 vikt%. På motsvarande sätt har bränslestaven 14 2,9, 3,3 resp 2,9 vikt% och bränslestaven 15 2,1, 2,5 resp 2,1 vikt%. Bränslekutsarna i bränslestavens 16 sek- tion med anrikat uran innehåller gadolinium, som är en absorbator. Med avseende på koncentrationen i axialrikt- ningen av sektionen med anrikat uran har l/24-10/24 av den effektiva längden H en koncentration på 5 vikt%, 10/24- /24 av den effektiva längden en koncentration på 4,0 vikt% och 20/24-23/24 av sektionen en koncentration på 3,0 vikt%. Med avseende på bränslestaven 17 har 1/24-20/24 av den effektiva längden mätt från den undre änden på den sektion som fyllts med bränslematerial en koncentration på 4,0 vikt% och 20/24-23/24 av den effektiva längden H har en koncentration på 3,0 vikt%. Bränslestavarna ll-15 inne- håller inget gadolinium.

När bränslestavarna 11-17, som har ovannämnda kon- centrationsfördelning, placeras såsom visas i fig 1, blir den genomsnittliga koncentrationsfördelningen tvärs en sektion och i axialriktningen följande. 1/24-10/24 av den effektiva längden mätt från den undre änden av sektionen som fyllts med bränslematerial, dvs den understa sektionen av den anrikade sektionen, har en genomsnittlig anrikning på 3,44 vikt%, 10/24-20/24 av den effektiva längden H, dvs den mellanliggande sektionen av sektionen med anrikat uran, har en anrikningsgrad på 3,64 vikt%, och 20/24-23/24 av den effektiva längden H, dvs den översta sektionen av sektionen med anrikat uran, har en genomsnittlig anrikning på 3,44 vikt%.

Hos bränslepatronen 18 innehåller parentessektionerna med naturligt uran, vilka är anordnade vid den övre och den undre änden på sektionen som fyllts med bränslemate- rial, ett innehåll på 0,71 vikt% U-235.

Hos bränslepatronen 18 enligt föreliggande uppfinning är den genomsnittliga anrikningen lägre tvärs en sektion i den understa sektionen av sektionen med anrikat uran, me- dan den genomsnittliga anrikningen är högre tvärs en sek- tion genom den mellanliggande sektionen, och skillnaden i 505 682 6 anrikningsgrad mellan dessa sektioner är ungefär 0,2 vikt%.

Ju högre härden på kokvattenreaktorn är, desto mer ökar voiden. Den låga densiteten av vattnet, som är en neutronmodulator, avtar i härdens övre parti. Följden är att man, om man i härden laddar en bränslepatron, vars an- rikningsgrad är enhetlig i axialriktningen, får en tendens till undre snedfördelning med stor formfaktor i bränsle- patronens undre parti. Om alltså anrikningsgraden i patro- nens övre parti, såsom nämnts ovan, görs högre än den i patronens undre parti, kan uteffektfördelningen i bränsle- patronens axialriktning göras jämn. I bränslepatronen 18 enligt denna utföringsform är skillnaden ungefär O,2% i genomsnittlig anrikning mellan det mellanliggande och det övre partiet på bränslepatronen 18, och positionerna (vid /24 av den effektiva längden H mätt från den undre änden på sektionen som fyllts med bränslematerialet) för den mellanliggande och den understa sektionen har valts så, att den jämna uteffektfördelningen i axialriktningen blir som mest effektiv.

I bränslepatronen enligt denna utföringsform är den genomsnittliga viktprocenten hos tio bränslestavar, som innehåller gadolinium, sådan att den genomsnittliga vikt- procenten i den understa sektionen är hög, medan den genomsnittliga viktprocenten i den mellanliggande sektio- nen är låg, så att en skillnad på ungefär 0,5% föreligger mellan dessa sektioner. Såsom nämnts ovan bildas mera ång- blåsor (void) ju högre kokvattenreaktorns härd är, varför densiteten av vattnet, som är en neutronmodulator, blir lägre i härdens övre parti, medan vattendensiteten i här- dens undre parti är hög. Om den genomsnittliga viktprocen- ten gadolinium görs jämn i axialriktningen, blir neutron- spektrum mjukare i härdens undre parti än i dess övre par- ti, vilket påskyndar gadoliniumförbränningen. Vid konti- nuerlig gadoliniumförbränning blir reaktivitetens öknings- takt snabbare, så att uteffektfördelningen i axialrikt- ningen får en topp vid härdens undre sektion. Enligt före- liggande uppfinning ökas, i syfte att på lämpligt sätt 505 682 7 styra uteffektfördelningen, anrikningen i härdens understa sektion. Skillnaden i anrikning på 0,5% väljs så att ut- jämningseffekten avseende den genomsnittliga axiella ut- effektfördelningen blir som mest effektiv. I utföringsfor- men förekommer två typer av bränslestavar, som innehåller gadolinium, eftersom hänsyn tagits till bränsleproduktio- nen, så att skillnaden i gadoliniumkoncentration i varje bränslestav uppvisar en skillnad överstigande ungefär 1 vikt%. Den effektformfaktormarginal för bränslepatronen 18 som erhålles genom fördelning av anrikningen och fördel- ning av gadoliniumkoncentrationen i axialriktningen ger blir 15-20%. Bränslepatronens 18 effektformfaktormarginal medför dämpning av formfaktorökningen genom hög utbränning samt de ovan nämnda reaktivitetsvinsterna för förbättring av bränsleekonomin.

Bränslepatronen av ovan beskrivna konstruktion kan avsevärt förbättra bränsleekonomin och kan ge en önskad utbränningsgrad med lägsta möjliga anrikning, varvid kärn- reaktorns säkerhetsmarginaler säkerställs på ett till- fredsställande sätt. Således kan kostnaden för bränsle- cykeln reduceras avsevärt och mängden använda bränsle- patroner minskas betydligt.

Närmast hänvisas till fig 3 och 4 och beskrivs en annan eller andra föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning. I den andra utföringsformen motsvarar bränsle- patronen 22 väsentligen både avseende konstruktion och funktionssätt bränslepatronen 18, och den laddas liksom bränslepatronen 18 i en C-gitterhärd. Bränslestavarna 11- , som visas i fig 5, motsvarar väsentligen dem som visas i fig 2, dock skiljer sig antalet bränslestavar 16 från det som visas i fig 2. Dvs anrikningsfördelningen och gadoliniumkoncentrationsfördelningen i axialriktningen motsvarar väsentligen den ovan beskrivna, men antalet bränslestavar 16 skiljer sig från den första utföringsfor- men, som beskrevs ovan i samband med fig 1 och 2. 505 682 8 Den andra utföringsformens bränslepatroner 22 ger effekter liknande dem för första utföringsformen.

Närmast hänvisas till fig 5 och 6 och beskrivs en tredje utföringsform av bränslepatronen enligt föreliggan- de uppfinning. I denna utföringsform är bränslepatronen 40 avsedd för en D-gitterhärd och omfattar nio typer av bränslestavar, som visas i fig 6 och som är placerade som i fig S. Var och en av bränslestavarna 31-39 har liksom i fig 2 de naturliga parenteserna i axialriktningen vid den övre och den undre änden på den sektion som fyllts med bränslematerial. Såsom framgår tydligast av fig 6 är an- rikningsgraderna i den sektion med anrikat uran som är an- ordnad på ett avstånd av 1/24-23/24 av den effektiva läng- den H från änden på sektionen som fyllts med bränslemate- rialet 4,6, 3,2, 2,8, 2,4, 1,9, 3,7 resp 3,7 vikt% i bränslestavarna 31, 33 resp 35-39. Sektionerna med anrikat uran i dessa bränslestavar har enhetlig anrikning i axial- riktningen. Liksom bränslestaven 12 innefattar sektionen med anrikat uran i varje bränslestav 32 och 34 tre under- sektioner, som var och en har olika anrikningsgrad. Närma- re bestämt har sektionen, vilken är anordnad pà ett av- stånd från den undre änden av sektionen som fyllts med bränslematerialet av 1/24-10/24 av den effektiva längden H på sektionen med anrikat uran, och sektionen (översta sek- tionen av sektionen med anrikat uran), vilken också är an- ordnad på avstånd fràn den undre änden av sektionen som fyllts med bränslematerialet, anrikningsgrader på 4,1 vikt% i bränslestaven 32 och 2,8 vikt% i bränslestaven 34.

Den genomsnittliga anrikningsgraden av det anrikade uranet i den mellanliggande sektionen är 3,8 vikt%.

Fördelningen av gadoliniumkoncentrationen i bränsle- stavens 38 axialriktning motsvarar den hos bränslestaven 16, och gadoliniumfördelningen i bränslestaven 39 mot- svarar den hos bränslestaven 17.

Med bränslepatronen 40 kan väsentligen samma effekter uppnås som med bränslepatronen 18. 505 682 9 Närmast hänvisas till fig 7 och 8 och beskrivs en bränslepatron 50 för användning i en D-gitterhärd. Bräns- lepatronen 50 har, såsom framgår av fig 8, tio typer av bränslestavar, som är anordnade såsom framgår av fig 7.

Bränslestaven 41, som visas i fig 8, har en anrikningsgrad på 3,7 vikt% i sektionen med anrikat uran. Såsom framgår av fig 8 motsvarar fördelningen av den genomsnittliga an- rikningsgraden i bränslepatronens 20 axialriktning väsent- ligen den hos bränslepatronen 40, dock har bränslepatronen 50 ett annat antal bränslestavar 38.

Med bränslepatronen S0 kan väsentligen samma effekter uppnås som med bränslepatronen 18.

Bränslepatronen 52, som visas i fig 9 och 10, är ett utförande av den brännbara absorbatorns fördelning i axialriktningen i de fyra sektionerna. Bränslepatronen 52 innefattar sex typer av bränslestavar, som visas i fig 10 och som är anordnade såsom framgår av fig 9. Bränslestaven 51 motsvarar väsentligen bränslestaven 16 med undantag för gadoliniumfördelningen. Närmare bestämt är koncentrationen av gadolinium 4,5 vikt% och det är enhetligt fördelat i sektionen, vilken är anordnad på ett avstånd från den undre änden av sektionen som fyllts med bränslematerialet av 1/24-20/24 av den effektiva längden H.

Med bränslepatronen 52 kan också väsentligen samma effekter uppnås som med bränslepatronen 18. Eftersom bränslepatronen 52 har ovannämnda fördelning av gadoli- niumkoncentrationen, avtar dessutom bränslepatronens reak- tivitetsgrad i härdens övre parti, där neutronflödet blir högre vid låga temperaturer, så att avställningsmarginalen kan förbättras.

I fig ll viss att koncentrationen av brännbar absor- bator i övre delen av respektive bränslestav (dvs fig ll(a) respekteive fig 1l(b)) är låg, vilket medför att reaktionsförlusten pga oförbränd absorbator i det övre ändpartiet reduceras. 505 682 Förhållandet mellan längden på det naturliga uranet, som laddats i den övre och den undre änden, och bränsle- ekonomin visas i fig 12. Genom kombinationen enligt upp- finningen av den radiella formfaktorn och den lokala form- faktorn når den axiella formfaktorn driftsgränsen för den linjära värmekapaciteten, och sannolikt planar den ekono- miska utnyttningskoefficienten ut när förhållandet från (1/1) ändras till (2/1), varför varje nod vid den övre och undre änden består av naturligt uran.

Förhållandet mellan längden på den sektion som innehåller låg koncentrationsgrad av brännbar absorbator och den ekonomiska förbättringen visas i fig 13. Om längden på sektionen som har låg koncentration ökas, erhålles den ekonomiska förbättringen, dock planar den ekonomiska förbättringen successivt ut och när antalet noder överstiger tre, blir den ekonomiska förbättringen lägre.

Tack vare föreliggande uppfinning kan prestandaför- sämringen av härden beroende på hög utbränningsgrad elimi- neras, kan effektformfaktormarginalen utnyttjas för för- bättring av bränsleekonomin och kan den av kärnreaktorn avgivna effekten ökas avsevärt.

Claims (2)

505 682 11 PATENTKRAV

1. Bränslepatron för en kokvattenreaktor, inne- fattande ett flertal bränslestavar (ll-17, 19, 31-39, 41, 51), som är anordnade i en bränslebox (20), samt en cent- ral vattenstav (10), som har större diameter än bränsle- stavarna (ll-17, 19, 31-39, 41, 51), varvid varje bränsle- stav (11-17, 19, 31-39, 41, 51) vid sin övre och sin nedre ände har vardera en sektion med naturligt uran, vilken sektion har en längd pà mellan 1/24 och 1/12 av bränsle- stavens längd, mellan dessa sektioner en sektion med anrikat uran, vilken sektion vid nàgra av bränslestavarna (12, 14, 15, 32, 34) innefattar tre delpartier med olika anrikning, varvid den genomsnittliga anrikningen för alla bränslestavar (11-17, 19, 31-39, 41, 51) pà nivån för det mellanliggande av delpartierna är större än den genom- snittliga anrikningen pà nivån för det övre eller det nedre av delpartierna, och varvid nägra av bränslestavarna (16, 17, 38, 39, 51) i den anrikade sektionen innefattar en brännbar absorbator, k ä n n e t e c k n a d av att i nágra av bränslestavarna (16, 38), som innehåller en brännbar absorbator, andelen brännbar absorbator i det övre delpartiet är mindre än andelen brännbar absorbator i det mellanliggande och det nedre delpartiet, och att andelen brännbar absorbator i det nedre delpartiet är lika stor som eller större än andelen brännbar absorbator i det mellanliggande delpartiet, varvid det övre delpartietsi axiella längd är mellan 3/24 och 5/24 av bränslestavens (16, 38) längd och den axiella längden mellan bränslestav- ens nedre ände och det mellanliggande delpartiet är mellan 1/3 och 7/12 av bränslestavens längd.

2. Bränslepatron enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att den genomsnittliga anrikningen för alla bränslestavar (ll-17, 19, 31-39, 41, 51) i nivå med det övre delpartiet är lika med den genomsnittliga anrikningen för alla bränslestavar (11-17, 19, 31-39, 41, 51) i nivà med det nedre delpartiet.