SE506820C2 - Bränslepatron innefattande ett flertal på varandra staplade bränsleenheter, där bränsleenheterna innefattar bränslestavar med skilda diametrar - Google Patents

Description

506 820 2 bara täckta med en tunn film av vatten, utanför vilken ånga blandat med vattendroppar strömmar, s k annulärströmning.

Om värmeflödet från en bränslestav blir mycket stort i för- hållande till kylflödet kan risk föreligga för torrkokning.

Torrkokning innebär att vätskefilmen blir så tunn att den inte förmår hålla ihop, utan den bryts upp och det bildas torra väggpartier, vilket lokalt leder till en avsevärt försämrad värmeövergång mellan bränslestaven och kylvattnet med en kraftigt förhöjd väggtemperatur hos bränslestaven som följd. Den förhöjda väggtemperaturen kan leda till att skador med allvarliga följder uppträder på bränslestavarna. Risk för torr- kokning föreligger huvudsakligen i bränslepatronens övre del.

På grund av sin lägre densitet är ånga en mycket sämre moderator än vatten, vilket under reaktorns drift betyder att ju högre upp i bränslepatronen desto sämre är modereringen. I härden omges bränslepatronerna av vatten vilket ger en bra moderering av bränslestavar nära höljeröret. Bränslestavar i bränslepatronens centrala delar får däremot en sämre moderering. Det är fram- förallt centrala delar i bränslepatronens övre del som får en otillräcklig moderering. Reaktorns reaktivitet beror av för- hållandet mellan uran och moderator. För att erhålla ett optimalt uran till moderator förhållande bör mängden uran vara mindre och gitterutrymmet, dvs det fria utrymmet mellan bränsle- stavarna, vara större i bränslepatronens övre del än i dess undre del.

Faktorer som är viktiga att ta hänsyn till vid optimering av bränslepatronen är förutom reaktivitet och torrkokning också begränsning av bränslestavarnas linjära belastning, avställningsmarginal och tryckfall.

Ett ständigt återkommande problem med kokarvattenreaktorer är hur man på bästa sätt optimerar bränslepatronen både axiellt och lateralt med avseende på uranmängd och gitterutrymme. Lateralt kan en optimering ske t ex genom val av bränslestavarnas diameter, avstånd mellan bränslestavarna eller antalet bränslestavar. Ett välkänt sätt att åstadkomma en axiell 506 820 3 optimering är att byta ut en del av bränslestavarna mot dellånga bränslestavar. Dellånga bränslestavar har en kortare axiell utsträckning än de traditionella hellånga bränslestavarna. Ett annat sätt att åstadkomma en optimering av uranmängden både axiellt och lateralt är att variera bränslets anrikning i bränslestavarna vilket visas i patentskriften Q§_íQ_l5_§§l_Al& En bränslepatron visas som har bränslestavar med olika anrikning i olika gitterpositioner och vissa av bränslestavarna har flera olika anrikningshalter axiellt.

En nackdel med de ovan angivna optimeringsmetoderna är att de var och en för sig inte förmår att ge en tillräckligt effektiv optimering av bränsle och gitterutrymme. Med en konventionell bränslepatron är det svårt att åstadkomma en bra optimering på ett enkelt sätt. En lösning på detta problem visas i « PCT/SE95/01478 som beskriver en flexibel bränslepatron som enkelt kan optimeras både axiellt och lateralt. Nämnda PCT- ansökan är vid denna patentansökans inlämnande ännu opublicerad.

Den flexibla bränslepatronen innefattar ett flertal på varandra staplade bränsleenheter, vilka var och en innefattar ett flertal bränslestavar som sträcker sig mellan en topplatta och en bottenplatta. Bränsleenheterna är omslutna av ett gemensamt höljerör med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt.

Behoven av axiell och lateral optimering skiljer sig mellan olika reaktorer och olika driftförhållanden. Det är därför ett önskemål att för varje enskild kund kunna erbjuda en bränsle- patron som är optimerad för just deras speciella behov. Ett problem är att det kan bli väldigt dyrt att leverera olika bränslepatroner till olika kunder eftersom det krävs ett stort antal olika komponenter som ska både tillverkas och hållas i lager.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser en bränslepatron som är enkel att optimera både axiellt och lateralt utifrån enskilda kunders behov, men som ändå kan tillverkas på ett enkelt och rationellt och därmed ekonomiskt sätt. 506 820 Vad som kännetecknar en bränslepatron enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

En bränslepatron enligt uppfinningen kan sättas samman av ett fåtal, vilka skiljer sig åt genom att de har olika ytterdiameter och företrädesvis tre standardiserade typer av bränslestavar, olika uranmängd. Med tre typer av bränslestavar och ett stort antal bränsleenheter, företrädesvis minst sju stycken i bränsle- patronen, erhålles en mycket stor frihet att optimera bränsle- patronen både axiellt och lateralt. De tre olika typerna av bränslestavar kan i sin tur kombineras till ett antal olika typer av bränsleenheter med lämpliga egenskaper för olika nivåer i bränslepatronen och för olika driftförhållanden. Genom att fördela de olika bränsleenheterna på olika nivåer kan en önskad axiell optimering åstadkommas. Förutom att variera fördelningen av bränslet kan även den totala bränslemängden i bränslepatronen varieras på enkelt sätt genom att variera antalet bränslestavar av de olika typerna. Dessutom kan vissa positioner i gittret lämnas obesatta, t ex för att förbättra avställningsmarginalen.

En fördel med uppfinningen är att ett stort antal olika bränsle- patroner med olika egenskaper kan plockas ihop av ett fåtal standardenheter. Till en ringa extra kostnad kan en bränsle- patron erhållas som är skräddarsydd för den reaktor och de driftsförhållanden som den ska verka i.

Ytterligare en fördel är att antalet bränslestavar med olika anrikningsnivåer kan begränsas, vilket betyder att bränsle- stavarna blir enklare och billigare att tillverka.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar schematiskt en utföringsform av en bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 2a, 2b, 2c och 2d visar horisontella snitt B-B, C-C, D-D och E-E genom bränslepatronen i figur 1. 506 820 Figur 3 visar en absorbatorstav i genomskärning.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar en bränslepatron enligt uppfinningen. Under drift är bränslepatronen anordnad vertikalt i reaktorhärden. Bränsle- patronen innefattar ett övre handtag 1, ett undre ändparti 2 och ett flertal på varandra staplade bränsleenheter 3a, 3b, 3c och 3d. Bränsleenheterna innefattar ett flertal bränslestavar 4a, 4b och 4c anordnade mellan en topplatta 5 och en bottenplatta 6.

Bränsleenheterna är staplade på varandra i bränslepatronens längdriktning och de är staplade på så sätt att topplattan 5 i en bränsleenhet är vänd mot bottenplattan 6-i nästa bränsleenhet i stapeln. En bränslestav innefattar bränsle i form av en i ett kapslingsrör 7 anordnad stapel av urankutsar 8. Bränslepatronen -är innesluten i ett höljerör 9 med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. I detta utföringsexempel innehåller bränslepatronen fyra parallella staplar med tio bränsleenheter i varje stapel.

Figur 2a visar ett snitt B-B genom bränslepatronen i figur 1.

Höljeröret 9 är försett med ett ihàligt, med korsformat tvärsnitt utformat stödorgan 10, som är fast förbundet med höljerörets fyra väggar. I den av stödorganet 10 bildade centrala kanalen ll strömmar moderatorvatten. Höljeröret med stödorgan omsluter fyra vertikala kanalformade delar l2a, 12b. l2c, 12d, med åtminstone i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. De fyra delkanalerna innehåller var sin stapel av s k delkanaler, bränsleenheter. Varje bränsleenhet innefattar 24 bränslestavar anordnade i ett symmetriskt 5x5 gitter. Med en bränslestavs- position avses en position i gittret. Alla bränslestavs- positioner i gittret behöver inte vara besatta med bränsle- stavar.

Bränslepatronen har tre olika typer av bränslestavar 4a, 4b och 4c. I figur 2a-2d betecknas bränslestavarna 4a med ett M och bränslestavarns 4c betecknas med ett P. Bränslestavarna 4b är omärkta i figurerna. En bränslestav 4a har en diameter dl. En bränslestav 4b har en diameter dg som är ca 8% större än dl och innehåller ca 15% mera bränsle än bränslestaven 4a. En bränsle- 506 820 6 stav 4c har en diameter d3 som är ca 8% större än dg och innehåller ca 15% mera bränsle än bränslestaven 4b. Genom att variera mellan de tre bränslestavstyperna i de olika gitter- positionerna kan en stor variation av bränsleenheter skapas.

Bränslestavarna med den största diametern 4c har ett relativt sett större fissionsgasutrymme än bränslestavarna med den minsta diametern 4a för att pà så vis ta hänsyn till olika linjär- belastning pà grund av stavdiameter och typiska neutronflödes- förhållanden. Det räcker inte bara med att diametern är större utan att även höjden pà fissionsgasutrymme bör vara högre.

I detta utföringsexempel är bränslepatronen uppbyggd av fyra olika typer av bränsleenheter 3a,3b,3c,3d pá tio olika nivåer.

Figur 2d visar ett snitt E-E genom bränsleenheten 3a. Bränsle- enheten 3d är utformad för att passa i bränslepatronens nedre 'del där neutronflödet tenderar att vara högt under en stor del av driftcykeln. Denna bränsleenhet innehåller nästan uteslutande bränslestavar av typen 4c som är den av bränslestavarna som har den största tvärsnittsarean och innehåller mest bränsle. I bränslepatronens nedersta del har betydelsen av en minskad strömningsarea på grund av bränslestavarnas stora tvärsnittsarea inte så stor betydelse eftersom både modereringen och kylningen är god och tryckfallet ändå är lågt tack vare låg ånghalt.

Ju högre upp i bränslepatronen desto färre är bränslestavarna med den största diametern 4c och istället ökar antalet av bränslestavarna med en mindre diameter 4a och 4b. Figur 2b visar ett snitt C-C genom bränsleenheten 3c och figur 2c visar ett snitt D-D genom bränsleenheten 3b. Figur 2a visar ett snitt B-B genom den översta bränsleenheten 3d, som innehåller endast bränslestavar av typen 4a och 4b som båda har en diameter och ett bränsleinnehåll som är mindre än i bränslestaven 4c.

Dessutom är gitterpositionerna närmast vattenkanalen ll obesatta. En fördel med de obesatta positionerna är att avställningsmarginalen ökar. I den övre delen av bränslepatronen sker optimeringen av bränsleenheterna i syfte att minimera' risken för torrkokning och att erhålla ett lågt tryckfall. 506 820 För att absorbera en del av överskottsreaktiviteten i bränslet när det är färskt kan vissa av bränslestavarna innehålla en brännbar absorbator, t ex gadoliniumoxid. En sådan bränslestav kallas i fortsättningen för en absorbatorstav. Absorbatorstavens diameter bestämmer dess utbränningshastighet. Absorbatorstavarna 13a,l3b,13c finns i tre olika storlekar med tre olika diametrar d1,d2,d3 som är samma som för bränslestavarna. Genom att anordna absorbatorstavar med olika diameter i gittret kan halten av brännbar absorbator finfördelas både axiellt och lateralt med avseende på reaktivitet, utbränningsförlopp och effekt- fördelning.

Figur 3 visar en absorbatorstav 13c i genomskärning. Absorbator- staven innefattar ett flertal bränslekutsar 15 och 8a staplade pà varandra i ett kapslingsrör 7 och en topplugg 16 och en rbottenplugg 17 tillsluter absorbatorstaven. Bränslekutsarna 15 De två ändkutsarna 8a i absorbatorstaven innehåller bara bränsle och innehåller en viss andel av en brännbar absorbator. saknar brännbar absorbator. Ändkutsarna i både bränslestavarna och absorbatorstavarna gränsar till axiella gap som uppstår mellan bränsleenheterna i stapeln. På grund av det axiella gapet blir modereringen och därmed reaktiviteten högre i ändkutsarna jämfört med övriga kutsar i stapeln. Genom att inte tillsätta någon brännbar absorbator till bränslet i ändkutsarna bränns ändkutsarna i bränsleenheten ut snabbare än övriga kutsar.

Utbränningen sker i början av driftcykeln medan bränslepatronens totaleffekt fortfarande är begränsad av den brännbara absorbatorn. Eftersom det är nödvändigt att på något sätt, t ex genom en lägre anrikning eller att förse dem med hål, begränsa effekten i bränslestavarnas ändkutsar är det en fördel att alla ändkutsarna är lika så att tillverknigen förenklas.

I detta utföringsexempel har alla bränsleenheterna samma sorts gitter. Det är en fördel att alla bränsleenheterna ha samma gitter för då kan samma bottenplattor och topplattor användas för de olika bränsleenheterna, vilket minimerar antalet komponenter som behöver tillverkas och hållas i lager. Det är även möjligt att med bibehållande av samma gitter göra optimeringar genom begränsade förskjutningar av stavarnas lägen. 506 820 I ett annat utföringsexempel kan bränsleenheter på samma nivå i bränslepatronen ha olika fördelning av bränslestavar. Detta kan t ex vara fördelaktigt i en reaktor där bränslepatronen omges av vattenspalter med olika bredd. Modereringen blir olika beroende på mot vilka spalter en bränsleenhet vätter vilket kan kompenseras genom att bränslestavar med större eller mindre diameter anordnas i gitterpositioner intill spalterna.

Claims (8)

10 15 20 25 30 506 820 PATENTKRAV

1. Bränslepatron för en kokarvattenreaktor innefattande ett flertal bränslestavar (4), vilka bränslestavar är anordnade i ett gitter och sträcker sig mellan en topplatta (5) och en bottenplatta (6) och är omslutna av ett höljerör (9) med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt, att bränslepatronen innefattar k ä n n e t e c k n a d a v ett flertal på varandra staplade bränsleenheter (3a,3b,3c,3d) vilka var och en innefattar en topplatta (5), en bottenplatta (6) och ett flertal bränslestavar (4a,4b,4c) anordnade mellan topplattan och bottenplattan, åtminstone vissa av bränsleenheterna (3a,3b,3c,3d) innefattar ett flertal bränslestavar med skilda diametrar och -skilda bränslemängder, bränslestavarna är så anordnade i bränsleenheterna att bränslemängd och gitterutrymme optimeras både axiellt och lateralt i bränslepatronen.

2. Bränslepatron enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att bränslepatronen innefattar minst tre bränslestavar (4a,4b,4c) med skilda diametrar (d1,d2,d3 ) och skilda bränslemängder,

3. Bränslepatron enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att bränslepatronen innefattar en första bränslestav (4a) med en första diameter (dl), en andra bränslestav (4b) med en andra diameter (d2) som är minst 5% större än den första diametern och en tredje bränslestav (4c) med en tredje diameter (d3) som är minst 5% större än den andra diametern.

4. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att bränslepatronen innefattar minst sju bränsleenheter.

5. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven, 506 820 10 15 10 k ä n n e t e c k n a d a v att alla bränsleenheterna har i huvudsak samma gitter.

6. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att bränslepatronen innefattar en bränsleenhet (3d) där åtminstone en position i gittret är obesatt.

7. Bränslepatron enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e t eßc k n a d a v att den innefattar absorbator- stavar (13a,13b,13c) innehållande brännbart absorbatormaterial, varvid åtminstone två av absorbatorstavarna har skilda diametrar (d1,d2,d3 ). -

8. Bränslepatron enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d »a v att absorbatorstavarnas ändkutsar (Ba) saknar brännbart absorbatormaterial.