SE508060C2 - Kärnbränslepatron innefattande medel för rotation av ånga och vatten runt en ångledningskanal - Google Patents

Description

508 060 2 minskar dess förmåga att leda bort varme från brånslestavarna varvid risken ökar för torrkokning, vilket i sin tur leder till en ökning av risken för brånsleskador. Ytterligare ett problem med en hög ånghalt i brånslet år att ånga år en mycket såmre vilket får till följd att modereringen blir otillräcklig varvid brånslet utnyttjas ineffektivt. I brånsle- moderator ån vatten, patronens nedre del utgörs moderatorn av vatten medan moderatorn i branslepatronens övre del består av både ånga och vatten.

Detta medför att brånslet i brånslepatronens övre del ej kan utnyttjas effektivt. Det år dårför önskvårt att hålla nere ånghalten i kylmedlet samtidigt som ånggenereringen bibehålles på en hög nivå.

Volymsandelen ånga a år en mycket våsentlig parameter för bránslets och hårdens nukleåra egenskaper. Om vattenfasen och ångafasen båda rör sig med samma hastighet kan 11 direkt _bestámmas ur blandningsekvationen: 1 l!= (1) L+!Ä1ï-Ei x P1 x = viktsandel ånga som är given av den tillförda vàrmeenergin pg = ångfasens densitet p, = vàtskefasens densitet kvoten åf år ca 0,05 för normala driftsförhållanden i en 1 kokarreaktor vid ca 7 MPa tryck. Sambandet mellan a och x illustreras i figur 1.

Om ångfasen och vàtskefasen rör sig med olika hastigheter kan detta beskrivas med följande modifiering av ekvation 1: 1 1+ L:f~EL x Å 11: (2) där S (slipfaktorn) beskriver hastighetsskillnaden mellan faserna, så att S>1 innebar att ångan strömmar snabbare ån 508 060 3 vätskan. S är egentligen en komplicerad funktion av viktsandel änga, tryck, geometri m.m. Det är dock välkänt att i en kokar- reaktor fär man mot utloppet naturligt en högre änghastighet, tack vare ängans väsentligt lägre densitet. Om ängflödet har en högre hastighet än vattenflödet sä minskar volymsandelen änga i bränslepatronen. Den verkliga volymsandelen änga ligger därför -10% under den som kunde förväntas utan hastighetsskillnad mellan faserna, ätminstone i den övre delen av bränslepatronen där volymsandelen änga ligger över 40 %.

Slutsatsen av detta resonemang är att ju snabbare ängan försvinner ut frän bränslepatronen desto lägre blir änghalten.

En separering av ängflödet och vattenflödet i bränslepatronens övre del ger alltsa ängflödet en högre hastighet än vattenflödet varvid volymsandelen änga i bräslepatronen minskar. Pä sä vis förbättras marginalen till torrkokning och bränslet i bränsle- vpatronens övre del utnyttjas bättre.

I patentskriftern US 5 091 146 visas en bränslepatron som försöker ästadkomma en separering av ängflödet och vattenflödet i bränslepatronens övre del genom att anordna ett ängledningsrör ovanför en eller flera dellänga bränslestavar, dvs bränslestavar som sträcker sig frän bottenplattan men slutar nedanför och pá avständ frän topplattan. Pä sä sätt ska ängan som genereras i kylmedlet ledas bort. Röret har öppningar bade i sin övre och nedre ända. Nackdelarna med ett sädant rör är flera. Dels är_det dyrt att tillverka och dels ger det ett ökat tryckfall i bränslepatronen. En annan nackdel är att det kan vara svärt att fä in den kontinuerligt producerade ängan i röret. Visserligen är röret försett med öppningar och andra anordningar för att uppmuntra änga att strömma in i röret och att förhindra vatten att komma in i röret, men det är ända tveksamt om detta är ett effektivt sätt att fä in ängan i röret.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamälet med uppfinningen är att ästadkomma en bränslepatron som pä ett enkelt och effektivt sätt separerar ängflödet och 508 060 4 vattenflödet ätminstone partiellt, och pä sä vis erhäller en lägre volymsandelen änga i bränslepatronen.

Vad som kännetecknar en bränslepatron enligt uppfinningen framgär av bifogade patentkrav.

En bränslepatron enligt uppfinningen innefattar en vertikal kanal som leder änga uppät genom bränslepatronen under reaktorns drift. Denna kanal har inga väggar utan bestär endast av en tom volym mellan bränslestavarna, och kallas i fortsättningen for ängledningskanal. Bränslepatronen är sä utformad att kylmedlet. dvs vatten och änga, bringas att rotera runt ängledningskanalen sä att en uppätgäende virvel bildas. Virveln roterar sä fort att ängan separeras frän vattnet med hjälp av centrifugalkraften.

Vattnet som är tyngre än ängan slungas utät och bort frän ängledningskanalen, medan den lättare ängan pressas mot virvelns .centrum och därmed mot ängledningskanalen. Ångan fär därmed en betydligt högre hastighet än den naturliga och kan med hög hastighet lämna bränslepatronen via ängledningskanalen. Pä sä sätt sänks volymsandelen änga i bränslepatronen.

Transporten av änga till virvelns centrum förstärker rotationen eftersom tröghetsmomentet minskar. Genom att ängan försvinner ut frän bränslepatronen med en högre hastighet än vattnet minskas vilket förbättrar kylningen av bränslet. Även en partiell separation av av vatten och änga är volymsandelen änga i kylmedlet, värdefull. I praktiken är det sä att de första procenten sänkning av ängvolymen ger det största utbytet.

Uppfinningen har ett flertal fördelar. De flesta härrör frän den minskade volymsandelen änga. Kylningen förbättras och därmed ökar marginalen till torrkokning. Mindre änga ökar reaktiviteten varvid behovet att anrika bränslet minskar. Avställnings- marginalen förbättras eftersom mindre reaktivitet är bunden i ängan. En minskad variation i den axiella volymsandelen änga och det minskade antalet bränslestavar uppät i knippet medför att man kan àstadkomma ett väsentligt optimalt vattenluran- förhällande längs patronens hela längd vilket ökar reaktiviteten ytterligare. Det öppnare gittret och mindre volymsandel änga ger 588 0-60 lägre tryckfall. Mindre reaktivitet bunden i ängan leder till mindre negativa reaktivitetskoefficenter. Härdens stabilitet och flera olika transientförlopp förbättras.

Ytterligare en fördel är den bättre avställningsmarginal som följer av att överdelen av bränslet innehäller minst ett sammanhället omräden utan bränslestavar. Under avställning är dessa vattenfyllda och bidrar till att väsentligt sänka reaktiviteten och därmed förbättra avställningsmarginalen.

FIGURBEsKRIvNíNG Figur 1 visar sambandet mellan volymsandelen änga Lz och viktsandelen änga x. .

Figur 2 visar schematiskt ett vertikalt snitt genom en .utföringsform av en bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 3a - 3f visar ett antal horisontella snitt genom brànslepatronen i figur 1.

Figur 4 visar en bránsleenhet i bränslepatronens övre del i en vy frän sidan.

Figur 5 visar en del av bottenplattan till en bränsleenhet.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER För att kunna utforma brànslepatronen sä att vatten och ånga separeras pä ett effektivt sätt är det önskvärt att bränsle- patronen är sä flexibel att den pä ett enkelt sätt kan ges olika utfornung i axiell led. En sädan bränslepatron visas i PCT/SE95/01478, som vid denna patentansökans inlämnande ännu är opublicerad. Denna bränslepatron innefattar ett flertal pà varandra staplade bränsleenheter, vilka var och en innefattar ett flertal bränslestavar sam sträcker sig mellan en topplatta och en bottenplatta. Bränsleenheterna är omslutna av ett gemensamt höljerör med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. En 508 Û60 6 branslepatron av denna typ kan pà ett enkelt sätt ges axiellt olika utformning.

Figur 2 och 3a - 3f visar en bränslepatron enligt uppfinningen.

Under drift är bränslepatronen anordnad vertikalt i reaktor- härden. Figur 2 visar ett vertikalt snitt F-F genom bränsle- patronen. Figur 3a-3f visar ett antal horisontella snitt A-A, B- B, C-C, D1-D1, D2-D2, D3-D3 genom bränslepatronen. Bränsle- patronen innefattar ett övre handtag 1, ett undre andparti 2 och ett flertal pä varandra staplade bransleenheter 3a, 3b, 3c och 3d. Varje bränsleenhet innefattar ett flertal branslestavar 4 anordnade mellan en topplatta 5 och en bottenplatta 6. Bransle- enheterna är staplade pà varandra i bränslepatronens längd- riktning och de är staplade pä sä satt att topplattan 5 i en. bränsleenhet ar vänd mot bottenplattan 6 i nästa bränsleenhet i stapeln. En bränslestav 4 innefattar bränsle i form av en i ett .kapslingsrör 7 anordnad stapel av urankutsar 8. Branslepatronen är innesluten i ett höljerör 9 med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. I detta utföringsexempel innehåller bränslepatronen atta bransleenheter som vardera är ca 0.5 m höga.

En bränsleenhet har 100 branslestavspositioner i ett ortogonalt 10x10 gitter. En bränslestavsposition är en position i gittret och i dessa är det möjligt att anordna en branslestav, men alla positionerna i gittret behöver inte vara besatta med bränsle- stavar. Bransleenheten är indelad i fyra delknippen med 25 Gittret i ett delknippe bestàr av en bränslestavsposition i centrum av bränslestavspositioner i ett ortogonalt 5x5 gitter. delknippet, och kring denna är en inre fyrkantig ring anordnad bestäende av 8 bränslestavspositioner. Utanför den inre ringen finns en yttre fyrkantig ring bestående av 16 bränslestavs- positioner.

Branslestavarna i bränsleenheten har en övre ande anordnad vid topplattan och en undre ande anordnad vid bottenplattan. En bränslestav tillhörande den inre eller den yttre ringen har sin undre ande anordnad i en första bränslestavsposition och sin övre ände anordnad i en andra bränslestavsposition. Den övre och den undre andan av bränslestaven är alltsa anordnade i skilda l0 508 060 7 bränslestavspositioner. Den första och den andra bränslestavs- positionen ligger intill varandra och tillhör dessutom samma- ring. Det finns två positioner i gittret som uppfyller båda dessa villkor. Bränslestavarna lutar således mellan botten- plattan och topplattan, och en bränslestav kan luta i två olika riktningar inom samma ring. I ett delknippe lutar alla bränslestavarna i de båda ringarna i samma riktning, dvs antingen medurs eller moturs runt delknippets centrum.

Syftet med att luta bränslestavarna runt delknippets centrum är att satta rotation på vattnet och ångan som strömmar uppåt genom bränslepatronen och att på så sätt åstadkomma en virvel med centrum i delknippets centrum. Virveln kan vara riktad medurs eller moturs beroende på åt vilket håll bränslestavarna i de båda ringarna lutar. Vinkeln mellan bränslepatronens längdaxel och de lutande bränslestavarnas längdaxel bestäms av .avståndet mellan bottenplattan och topplattan och avståndet mellan två bränslestavspositioner intill varandra i gittret.

Bränslepatronen innefattar fyra olika typer av bränsleenheter 3a,3b,3c,3d. De två understa bränsleenheterna 3a är lika och ett horisontellt snitt A-A genom dessa visas i figur 3a. Bränsle- enheten 3a har 100 bränslestavar anordnade i ett 10x10 gitter, och är indelad i fyra delknippen 15a,l5b,15c,l5d med 25 bränsle- stavar i varje delknippe. Alla bränslestavspositioner i gittret är besatta med bränslestavar. I bränslestavspositionen i centrum av varje delknippe är en rak centrumstav 4a anordnad. Centrum- staven är parallell med bränslepatronens längdaxel och har samma bränslestavsposition i både sin övre och undre ände. I figuren visas med pilar ät vilket håll bränslestavarna i den inre ringen 20a och den yttre ringen 20b lutar. I två av delknippena 15a, l5c lutar bränslestavarna i ringarna medurs runt centrumstaven och i de båda andra delknippena l5b, 15d lutar bränslestavarna i ringarna mOCLIrS runt CenCrumStaVen.

Figur 4 visar bränsleenheten 3a i en vy från sidan i ett snitt E-E genom bränslepatronen. Figuren visar att bränslestavarna i delknippet 15a lutar åt höger och att bränslestavarna i del- knippet l5b lutar åt vänster. Genom att luta bränslestavarna i 508 060 8 olika riktningar i de olika delknippena ästadkommes under reaktorns drift fyra virvlar i branslepatronen, varav tvä är riktade moturs och tvä ar riktade medurs. Delknippen som är anordnade längs samma diagonal har bränslestavar som lutar ät samma häll. Det är en fördel om nägra av virvlarna är riktade moturs och nägra är riktade medurs för dä kan de vridnings- effekter, bäde mekaniska och termohydraliska, som uppstär balansera ut varandra.

Följande tvä bränsleenheter 3b i stapeln ar av samma typ och ett horisontellt snitt B-B genom dessa visas i figur 3b. Bränsle- enheten 3b har 96 bränslestavar uppdelade pä fyra delknippen. var och en av delknippena innehäller 24 bränslestavar anordnade i en inre ring 20a och en yttre ring 20b. Bränslestavspositionen i delknippets centrum ar obesatt. Pa sä satt bildas en tom volym i bränsleknippets centrum. I övrigt är bränsleenheten 3b anordnad pä samma sätt som bransleenheten 3a. Den tomma volymen utgör nedre delen av en vertikal ängledningskanal som sträcker sig genom de sex översta bränsleenheterna i bränslepatronen. I de tvä nedersta bränsleenheterna 3a behövs ingen angledningsÄ kanal eftersom det inte finns nägon änga dar, men det ar däremot en fördel att redan här initiera virvelbildningen.

Det finns fyra angledningskanaler l6a,l6b,l6c,l6d i bränsle- patronen, en i varje delknippe. De lutande branslestavarna i delknippet ästadkommer en virvel av vatten och änga runt ängledningskanalen. Virvlarnas riktning ar markerad med pilar i ängledningskanalen. I denna virvel separeras vattnet och angan frän varandra genom att vattnet slungas utàt och därmed bort frän angledningskanalen medan ängan pressas mot virvelns centrum. Tack vare angans laga densitet och det läga strömnings- motständet i ängledningskanalen kommer ängan att med stor hastighet strömma uppät genom ängledningskanlen och försvinna ut genom toppen pä bränslepatronen. Pä sä vis sänks volymsandelen änga i kylmedlet.

Ovanpä bränsleenheterna 3b i stapeln är tvä bränsleenheter 3c staplade. Ett horisontellt snitt C-C genom dessa visas i figur 3c. Bränsleenheten 3c har 88 bränslestavar och varje delknippe -508 060 9 innehäller 22 bränslestavar. I ett delknippe är bränslestavs- positionen i centrum obesatt och dessutom är tvä positioner i den inre ringen obesatta. I övrigt är bränsleenheten 3c anordnad pä samma sätt som bränsleenheten 3a. Genom att öka antalet obesatta bränslestavspositioner fär ängledningskanalerna l6a,l6b,16c,16d en större tvärsnittsarea i dessa bränsleenheter jämfört med bränsleenheterna 3b längre ner i bränslepatronen. Ångledningskanalen fär pä sä sätt en mot toppen av bränsle- 0 patronen ökande tvärsnittsarea och därmed en ökande volym, nägot som är nödvändigt eftersom andelen änga som ska transporteras bort ökar mot toppen av bränslepatronen. Överst i bränslepatronen är tvä bränsleenheter 3d staplade pä varandra. Ett horisontellt snitt D1-D1 genom bränsleenheten 3d strax ovanför bottenplattan visas i figur 3d. Bränsleenheten 3d har 80 bränslestavar och varje delknippe innehäller 20 Vbränslestavar. I ett delknippe är bränslestavspositionen i centrum och fyra positioner i den inre ringen obesatta. De obesatta bränslestavspositionerna är de som är närmast bränsle- enhetens centrum. I övrigt är bränsleenheten 3d anordnad pä samma sätt som bränsleenheten 3a. Ångledningskanalerna l6a,l6b,16c,16d har sin största tvärsnittsarea i dessa tvä _ översta bränsleenheter. Ångledningskanalerna har sina utlopp 21 genom häl i topplattan i den översta bränsleenheten i stapeln.

För att illustrera hur bränslestavarna gitterpositioner förskjuts mellan topplattan och bottenplattan visas i figur 3e ett horisontellt snitt D2-D2 genom bränsleenheten 3d pä halva dess höjd. I figur 3f visas ett horisontellt snitt D3-D3 genom bränsleenheten 3d strax under toppplattan. En bränslestav förskjuter sin gitterposition ett steg i medurs eller moturs riktning inom den ring som den tillhör. Speciellt visas hur bränslestavarna 4b,4c,4d,4e i den inre ringen förflyttas till nästa gitterposition ett steg moturs i den inre ringen.

Det hittills beskrivna utföringsexemplet bygger pà ett ortogonalt gitter med topplattor och bottenplattor lika vad avser gitterpositioner. Uppfinningen kan dock mycket väl tillämpas även om gittret är oregelbundet och inte heller 508 060 behöver gitterpositionerna vara identiska i topplattorna och bottenplattorna. Bränslestavarna kan också luta olika mycket i samma brånsleenhet. Sådana utföringsformer kan vara att föredra t ex för att öka avståndet mellan brånslestavar som byter lutningsriktning i hörnen.

Bottenplattan och topplattan är försedda med hål för att tillåta passage av ångan i ångledningskanalen. För att förstärka virvlarna runt ångledningskanalen är både bottenplattan och topplattan försedda med fenor runt dessa hål som är orienterade så att virveln förstärks. Figur 5 visar en del av bottenplattan till bränsleenheten 3b i ett snitt G-G genom figur 2. Runt om hålet 16 är fenor 17 anordnade för att styra vattnet och ångan i virvelns riktning. Det är viktigt att notera skillnaden mellan dessa fenor och de som ofta arrangeras på spridare i både kokar- och tryckvattenreaktorer för att blanda om kylmedlet i en tdelkanal mellan fyra angränsade stavar och därmed förbättra torrkokningsmarginalen. I detta fall skall fenorna arrangeras så att de förstärker den makroskopiska virvlen.

Det finns ytterligare möjligheter att åstadkomma en sådan förstärkning av virveln, t ex genom att vrida om ligament i t0PP- Topplattan och/eller bottenplattan kan förses med en ram som i och bottenplattan till 45' lutning mot horisontalplanet. sin tur kan bära snedstållda fenor eller veck.

I en annan utföringsform av uppfinningen kan alla brånslestavarna vara raka och virvlarna kan åstadkommas med andra medel, till exempel fenor på bottenplattan och topplattan.

För att tillsluta brånslestavarna är de i sin övre ände försedda med en topplugg och i sin undre ände försedda med en botten- plugg. Dessa bottenpluggar och toppluggar kan också förses med fenor ellar andra anordningar för att åstadkomma en virvel i delknippet.

Claims (8)

Ii. 508 060 PATENTKRAV

1. Bränslepatron för en kokarvattenreaktor som är anordnad för att under reaktorns drift tilláta kylvatten att strömma uppàt genom bränslepatronen varvid en del av kylvattnet övergár till anga, vilken bränslepatron innefattar àtminstone ett bränsleknippe vilket inneháller ett flertal bränslestavar (4), en àngledningskanal (l6a, l6b, l6c, l6d) som utgörs av en tom volym och som átminstone sträcker sig genom en del av bränsleknippet, kännetecknad av att den vidare innefattar medel anordnade utanför ángledningskanalen för att bringa vattnet och ángan i bränsleknippet att rotera runt áng- ledningskanalen varvid vattnet slungas bort fràn ang- ledningskanalen medan den frán vattnet separerade àngan strömmar uppat genom ángledningskanalen.

2. Bränslepatron enligt patentkrav l kännetecknad av att àngledningskanalen (l6a, l6b, l6c, l6d) har en mot sitt utlopp (21) ökande tvärsnittsarea.

3. Bränslepatron enligt patentkrav l eller 2 k ä n n e t e c k n a d a v att bränslepatronen innefattar ett flertal parallella ángledningskanaler (l6a, l6b, l6c, l6d).

4. . Bränslepatron enligt patentkrav 3 k ä n n e t e c k n a d a v att bränslepatronen är sa utformad att kylvattnet bringas att rotera medurs runt en första àngledningskanal (l6a, l6c) och moturs runt en andra angledningskanal (l6b, l6d).

5. Bränslepatron enligt nagot av föregående patentkrav kännetecknad av att bränslepatronen innefattar ett 508 060 ll. flertal på varandra staplade bränsleenheter (3a,3b,3c,3d) vilka var och en innefattar en topplatta (5), en bottenplatta (6), ett flertal bränslestavar (4) som sträcker sig mellan topplattan och bottenplattan, och att åtminstone vissa av bränsleenheterna (3b,3c,3d) innefattar en tom volym som sträcker sig mellan bottenplatten och topplattan och som utgör en del av nämnda ångledningskanal (l6a, l6b, l6c, l6d).

6. Bränslepatron enligt patentkrav 5 kä n n e t e c k n a d a v att i åtminstone vissa av bränsleenheterna är huvuddelen av bränslestavarna anordnade lutande i förhållande till bränsle- patronens längdriktning så att vattnet och àngan bringas att rotera runt ångledningskanalen.

7. Bränslepatron enligt patentkrav 5 eller 6 k ä n n e t e c k n a d a v att i åtminstone vissa av bränsle- enheterna är bottenplattan och/eller topplattan försedd med organ (17) för att styra vattnet och àngan så att de roterar runt ångledningskanalen.

8. Bränslepatron enligt något av de tidigare patentkraven kännetecknad av att åtminstone vissa av bränslestavarna är försedda med organ (18) för att förstärka rotationen av vattenflödet runt ångledningskanalen.