SE506576C2 - Bränslepatron för en kokarvattenreaktor - Google Patents

Description

BNSDOCID: 506 576 2 temperatur övergär en del av vattnet till änga, och kylmedlet befinner sig därmed i ett tvá-fastillständ. Ju längre upp i härden desto högre är andelen änga i förhållande till andelen vatten. I härdens översta del är bránslestavarna bara täckta med en tunn film av vatten, utanför vilken änga blandat med vattendroppar strömmar, s k annulärströmning.

Om värmeflödet frän en brànslestav blir mycket stort i för- hällande till kylflödet kan risk föreligga för torrkokning.

Torrkokning innebär att vätskefilmen blir sä tunn att den inte förmär hälla ihop, utan den bryts upp och det bildas torra väggpartier, vilket lokalt leder till en avsevärt försämrad värmeövergàng mellan bränslestaven och kylvattnet med en kraftigt förhöjd väggtemperatur hos bränslestaven som följd. Den förhöjda väggtemeraturen kan leda till att skador med allvarliga följder uppträder pä bránslestavarna. Det är alltsä önskvärt att var och en av bránslestavarna i en bränslepatron har en jämn och tjock vattenfilm runt om hela bränslestaven. Om vattenfilmen pä nagot ställe av bränsle- staven blir för tunn ökar risken för torrkokning kraftigt.

Risken för en sàdan lokal torrkokning bestämmer den effekt som kan tas ut fràn hela bränslepatronen.

Pä grund av den höga andelen änga är tryckfallet högre i brànslepatronens övre del än i dess undre del. Ju större skillnaden är i tryckfall mellan brànslepatronens övre och undre del desto större är risken för att härden blir instabil. För att ge bränslepatronen goda stabilitetsegenskaper eftersträvas ett làgt tryckfall i brànslepatronens övre del.

När andelen änga stiger försämras förutom kylningen ocksa neutronmodereringen eftersom ànga är en sämre moderator än vatten. Reaktorns reaktivitet beror av förhållandet mellan bränsle och moderator. För att förbättra reaktiviteten mäste vatten/bränsle-förhållandet i brànslepatronens övre del ökas. En känd lösning pä detta problem är att byta ut en del av bränsle- stavarna mot dellänga bränslestavar. Dellänga bränslestavar har en kortare axiell utsträckning än traditionella hellànga bränslestavar och är anordnade i brànslepatronens undre del. I 506576023) BNSDOCID: 566 576 patentskriften US 5,229,068 visas en brànslepatron i vilken huvuddelen av bränslestavarna är hellänga, dvs de sträcker sig från bottenplattan till topplattan, och ett mindre antal brànslestavar är dellånga, dvs de sträcker sig från botten- plattan mot topplattan men slutar en bit nedanför topplattan.

Ett problem som uppstår vid införandet av dellånga brànslestavar är att det i bränslepatronens övre del ovanför de dellånga bränslestavarna bildas stora öppna områden med ett lågt tryck- fall, vilket medför att angränsande kylmedelskanaler, där tryck- fallet är högre, töms på kylmedel som istället strömmar in till det stora öppna området. Detta får till följd att för de bránslestavar som är anordnade i en gitterposition intill en dellàng bränslestav tunnas vattenfilmen ut på baksidan, dvs den sida som vetter från den dellánga bránslestaven. Risken för torrkokning är följdaktligen störst på baksidan av den övre delen av de bränslestavar som är närmast de dellånga bránsle- SC âVâITIa .

Det år känt, t ex från ovan nämnda amerikanska skrift, att genom olika anordningar öka tryckfallet i den stora öppna kylmedels- kanalen och därmed påverka kylmedelsflödet så att risken för torrkokning minskar i omgivande delar av bränsleknippet. Den uppnådda förbättringen sker därmed på bekostnad av ett ökat tnyckfall i bränslepatronens övre del, vilket i sin tur leder till en försämring av bränslepatronens stabilitetsegenskaper.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att minska risken för torrkokning för en brànslepatron i en kokarvattenreaktor som innefattar både hellänga bränslestavar och dellånga brànslestavar och med bibehållande av bränslepatronens stabilitetsegenskaper.

Vad som kännetecknar en brànslepatron enligt uppfinningen fram- går av bifogade patentkrav.

Enligt föreliggande uppfinning anordnas de bränslestavar som angrànsar till de stora öppna områden som bildas ovanför de ___506576C2_ |_ > 506 576 4 dellånga bränslestavarna, dvs de bränslestavar där risken för torrkokning är som störst, så att de i sin övre del är böjda i riktning in mot centrum av de stora öppna områdena så att de stora öppna områdena minskar i area samtidigt som angränsande kylmedelskanalers area ökar. På så vis minskar överströmningen av kylmedel från angränsande kylmedelskanaler till de stora öppna områdena, varvid tillgången på kylmedel på baksidan av de böjda bränslestavarna ökar och vattenfilmen ökar i tjocklek på bränslestavarns baksida. Risken för torrkokning minskar således i bränslepatronen.

En fördel med uppfinningen år att risken för dryout minskas utan att några extra anordningar tillförs bränslepatronen vilka bidrar till att öka tryckfallet i bränslepatronens övre del. På så vis bibehålles bränslepatronens stabilitetsegenskaper.

I den franska patentskriften med publiceringsnummer 2 603 416 visas en bränslepatron avsedd för en tryckvattenreaktor inne- fattande ett flertal första bränslestavar med en första längd som sträcker sig över hela bränslepatronens höjd och ett flertal andra bränslestavar med en andra längd som sträcker sig endast i bränslepatronens undre del varvid bränslestavarna är anordnade så att ett antal kylmedelskanaler för transport av kylmedlet bildas mellan bränslestavarna. I denna bränslepatron är bränsle- stavarna böjda så att ett regelbundet gitter erhålles både i bränslepatronens övre del och dess undre del. Det regelbundna gittret i bränslepatronens övre del har färre positioner än gittret i bränslepatronens undre del. För att åtadkomma denna övergång till ett annat regelbundet gitter måste en stor majoritet av bränslestavarna böjas.

Med en bränslepatron enligt uppfinngen är inte avsikten att åstadkomma ett regelbundet gitter i bränslepatronens övre del, utan att minska risken för torrkokning på vissa särskilt utsatta bränslestavar. För att åstadkomma detta böjes endast dessa särskilt utsatta bränslestavar.

BNSDOCID: 506 576 FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en första brànslepatron enligt uppfinningen.

Figur 2a visar ett tvärsnitt A-A genom den undre delen av bránslepatronen i figur l.

Figur 2b visar ett tvärsnitt B-B genom den övre delen av bränslepatronen i figur l.

Figur 3a visar ett tvärsnitt genom en undre del av en andra bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 3b visar ett tvärsnitt genom en övre del av en andra bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 4a och 4b visar ytterligare en utföringsform av uppfinningen.

Figur 5 visar mer i detalj en böjd bránslestav och utformningen av de spridare som omger den böjda bränslestaven.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1, 2a och 2b visar en bränslepatron 1 enligt en första utföringsform av uppfinningen. Figur 2a utgör ett tvärsnitt A-A genom den undre delen av brànslepatronen i figur 1. Figur 2b utgör ett tvärsnitt A-A genom den övre delen av bränslepatronen i figur 1. Bränslepatronen är av kokarvattentyp och innefattar en lång rörformig behållare, med rektangulärt tvärsnitt, benämnd höljerör 2. Höljeröret 2 är öppet i båda ändar, så att det bildas en genomgående strömningspassage, genom vilken kylmedel strömar. Hóljeröret 2 är försett med ett ihåligt, med kors- format tvärsnitt utformat stödorgan 11, som är fast förbundet med höljerörets fyra väggar. Stödorganet består av fyra ihåliga flyglar och ett ihäligt förstorat korscentrum. Stödorganet 11 bildar en vertikal korsformig kanal 8 genom vilken icke-kokande vatten strömmar uppåt genom brànslepatronen. Höljeröret 2 med stödorgan ll omsluter fyra vertikala kanalformade delar 12a - l2d, s k delpatroner, med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt.

Varje delpatron innehåller ett bränsleknippe innefattande ett flertal parallella och på avstånd från varandra anordnade bränslestavar 3a,3b,3c. En bränslestav består av ett antal cylindriska kutsar 4 av urandioxid staplade på varandra och inkapslade i ett kapslingsrör.

BNSDOCID: 506 576 CA Bränslestavarna i brànslepatronens undre del, figur 2a, är anordnade i ett symmetriskt 5x5 gitter i vilket alla bränsle- stavspositioner utom en ár besatta med bränslestavar. Den obesatta bränslestavspositionen är belägen innanför stödorganets korscentrum. Utrymmena mellan brànslestavar i positioner intill varandra genomströmas av kylmedel och benámnes i fortsättningen kylmedelskanaler 14. De kylmedelskanaler som bildas mellan fyra bränslestavar i positioner intill varandra har en tvärsnittsarea Al.

Bränslestavarna är av tre olika typer, hellànga raka bránsle- stavar 3a, dellánga brànslestavar 3b, och hellànga böjda bränslestavar 3c. De dellànga bránslestavarna 3b har en höjd som åtminstone motsvarar halva bränslepatronens höjd, men kan utgöra sä mycket som 80% av bränslepatronens höjd. Den del av bränsle- patronen i vilken de dellànga bránslestavarna är anordnade benàmnes i denna patentansökan för brànslepatronens undre del . Varje delknippe innefattar tvà dellànga brànslestavar 3b och tre böjda bränslestavar 3c. Dellànga brànslestavar är i denna och i följande figurer utmärkta med ett P. Böjda bránslestavar är i denna och i följande figurer utmärkta med ett B.

Alla bránslestavarna 3a,3b,3c i ett bränsleknippe sammanhàlls nedtill av en bottenplatta 6. De hellànga bránslestavarna 3a,3c i brànsleknippet samanhàlls upptill av en topplatta 5. Bränsle- stavarna hàlls medelst spridare 7a, 7b pà avstànd fràn varandra.

I bränslepatronens undre del 10 hàlls bránslestavarna 3a,3b,3c pà plats med spridarna 7a och i bränslepatronens övre del hàlls bránslestavarna 3a,3c pà plats med spridare 7b. De dellänga bránslestavarna 3b slutar nedanför topplattan 5, vanligtvis i eller i närheten av en spridare.

Enligt uppfinningen är de böjda bránslestavarna 3c anordnade i positioner intill de dellànga bránslestavarna 3b och är böjda i riktning mot dessa. Böjningen börjar vid den översta av spridarna 7a i brànslepatronens undre del och avslutas vid den nedersta av spridarna 7b i bränslepatronens övre del. Före och efter höjningen är brànslestaven rak. Böjningen sker i detta BNSDOCD; 7 506 576 utföringsexempel mellan tvä pä varandra följande spridare vilket är en fördel eftersom det dä räcker med tvà olika spridartyper.

Om höjningen ska vara stor kan det dock vara nödvändigt att fördela böjningen mellan flera spridare.

Av figur 2b framgär det att gittret i bränslepatronens övre del inte längre är regelbundet. Ovanför de dellánga bränslestavarna bildas ett öppet omräde 15. De böjda stavarna 3c är böjda in mot det öppna omradet. De kylkanaler som gränsar till det öppna omradet får därigenom en tvärsnittsarea A2 i bränslepatronens övre del som är större än dess tvärsnittsarea Al i bränsle- patronens undre del. Övriga kylkanaler har en tvärsnittsarea Al som är i huvudsak konstant i sin längdriktning.

Figur 3a och 3b visar uppfinningen tillämpad pä en annan typ av bränslepatron. Denna bränslepatron innefattar tvä vertikala vattenkanaler l6a, l6b med ett i huvdsak cirkulärt tvärsnitt.

Figur 3a visar ett tvärsnitt genom bränslepatronens undre del.

Bränslestavarna är anordnade i ett symmetriskt 9x9 gitter.

Bränslepatronen har ätta dellänga bränslestavar 3b och övriga bränslestavar 3a, 3c är hellànga. Figur 3b visar ett tvärsnitt genom bränslepatronens övre del. De fyra bränslestavar som är anordnade närmast intill en delläng bränslestav är böjda in mot det öppna område som bildas ovanför den dellänga bränslestaven.

De kylmedelskanaler som angränsar till det öppna omrâdet ovanför den delänga bränslestaven, har en tvärsnittsarea A4, A6 i brànslepatronens övre del som är större än tvärsnittsarean A3, A5 i bränslepatronens undre del.

Figur 4a och 4b visar ytterligare en utföringsform av uppfin- ningen. Denna utföringsform skiljer sig fràn de föregående genom att de böjda bränslestavarna 3c har en diameter dl som är större än de raka hellänga bränslestavarnas 3a diameter d2. En fördel med att anordna de böjda stavarna med en större diameter är att avständet mellan bränslestavarna minskar vilket medför att tvär- strömningen frän de angränsande kylmedelskanalerna till det öppna omradet ovanför de dellànga bränslestavarna minskar. I detta utföringsexempel har de dellànga bränslestavarna 3b samma diameter d2 som de raka hellänga bränslestavarna 3a. I en annan BNSDOCID, 506 576 8 utforingsform kan de dellànga bränslestavarna 3b ha samma diameter dl som de böjda bränslestavarna 3b. En fördel med att även de dellànga bränslestavarna har en större diameter är att en större uranmängd erhålls i bränslepatronens undre del där modereringen är god.

Figur 5 visar mer i detalj en böjd bränslestav 3c och utform- ningen av de spridare som omger den böjda bränslestaven. Den böjda staven är fixerad i bottenplatten och topplattan och staven böjs mellan tvä spridare 7a och 7b. Böjkrafterna fràn den böjda staven mäste tas upp av spridarna, och i första hand av de bada spridare 7a, 7b som sitter närmast den böjda delen 20 av staven. De flesta spridartyper hàller stavarna i läge med dels ett eller flera fasta stöd och dels en eller flera fjädrande stöd. Enligt uppfinngen är de fasta stöden anordnade sä att de tar upp de största böjningskrafterna, dvs pà de konkava sidorna av staven. Det sitter ett fast stöd 2la, 2lb pä var sin sida om den böjda staven, varav det det ena stödet 2la är anordnat i spridaren 7b ovanför den böjda delen 20 och det andra stödet 2lb är anordnat i spridaren 7b nedanför den böjda delen 20. Pä motsatta sidan om de fasta stöden är fjädrande stöd 22a, 22b anordnade.

BNSDOCID:

Claims (6)

PATENTKRAV

1. Brànslepatron för en kokarvattenreaktor där kylmedel under drift strömmar genom brànslepatronen, innefattande ett flertal första bränslestavar (3a,3c) med en första längd som sträcker sig över hela bránslepatronens höjd, ett flertal andra brànslestavar (3b) med en andra längd som sträcker sig endast i brànslepatronens undre del (10), varvid brànslestavarna är anordnade sà att ett antal kylmedelskanaler för transport av kylmedlet bildas mellan brànslestavarna, kännetecknad av att - åtminstone hälften av de brànslestavar som har positioner närmast intill bránslestavar ur den andra gruppen är anordade sà att de i sin övre del är böjda in mot det öppna område (15) som bildas ovanför brànslestavarna ur den andra gruppen, varvid àtminstone huvuddelen av de kylmedelskanaler som angrànsar till det öppna området ovanför de andra brànslestavarna, har en första tvàrsnittsarea (A1) i bránslepatronens undre del (10) och en andra tvàrsnittsarea (A2) i brànslepatronens övre del, varvid den andra tvársnittsarean är större än den första tvärsnittsarean, och - àtminstone hälften av brànslestavarna i brànslepatronen är raka.

2. Brànslepatron enligt patentkrav 1, kännetecknad av att den andra tvársnittsarean är mer än 10% större an den första tvársnittsarean.

3. . Bränslepatron enligt patentkrav 1, kä. n n e t e c k n a d a v att den andra tvärsnittsarean är mellan 15% och 40% större än den första tvársnittsarean.

4. Brànslepatron enligt nagot av de tidigare patentkraven, kännetecknad av amlmfifimænàriimænmfletl-N mm företrädesvis i intervallet 2 - 4 mm. BNSDOCID. 506 576 10

5. Bránslepatron enligt nagot av de tidigare patentkraven, kännetecknad av att de böjda stavarna har en första diameter (dl) och huvuddelen av de övriga brànslestavarna har en andra diameter (d2), varvid den första diametern är större än den andra diametern.

6. Bránslepatron enligt nagot av de tidigare patentkraven där ett antal spridare (7a,7b) sammanhàller och positionerar brànslestavarna pá inbördes avstánd och är anordnade axiellt åtskilda utmed bránslestavarna, kä n n e t e c k n a d a v att spridarna innefattar fasta stöd (21a,2lb) som är sà anordnade att de tar upp de största krafterna vid böjningen av brànslestavarna. BNSDOCID: