SE509875C2 - Bränslepatron vid en kokarvattenreaktor - Google Patents

Description

10 509 875 En nackdel med en kokarreaktor är den höga andelen ánga i bränslepatronens övre del. När andelen ànga stiger i kylmedlet minskar dess förmàga att leda bort värme fràn bränslestavarna varvid risken ökar för torrkokning, vilket i sin tur leder till en ökning av risken för bränsleskador. Ytterligare ett problem med en hög ànghalt i bränslet är att ånga är en mycket sämre moderator än vatten, vilket får till följd att modereringen blir otillräcklig varvid bränslet utnyttjas ineffektivt. vatten medan moderatorn i bränslepatronens övre del bestàr av I bränslepatronens nedre del utgörs moderatorn av báde ànga och vatten. Detta medför att bränslet i bränsle- patronens övre del ej kan utnyttjas effektivt. Det är därför önskvärt att hälla nere ängvolymen i kylmedlet samtidigt som ànggenereringen bibehálles pá en hög nivà.

I patentskriften US 5 091 146 visas en bränslepatron som försöker åstadkomma en separering av àngflödet och vatten- flödet i bränslepatronens övre del genom att anordna ett rör ovanför en eller flera dellànga bränslestavar, dvs bränsle- stavar som sträcker sig fràn bottenplattan men slutar nedanför och pä avstànd frän topplattan. När röret ska utformas är det framförallt tvà problem som måste lösas, dels hur àngan, som kontinuerligt produceras längs med bränslepatronens övre del, ska komma in i röret och dels hur det vatten, som avsätts pà rörets innerväggar, ska ledas bort. Dessa problem har lösts genom att förse rörets mantelyta med ett antal öppningar anordnade axiellt pá olika nivàer. Några av öppningarna är utformade så att de leder bort det vatten som ansamlas pà rörets innerytor och andra öppningar är utformade för att leda in àngan i röret. De öppningar, som är avsedda för att leda in àngan, är komplicerade till sin utformning och det är tveksamt om àngan verkligen hittar in genom dessa öppningar.

Ytterligare en nackdel är att öppningarna är komplicerade att tillverka. 509 875 SAMMÄNFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att àstadkomma en bränslepatron med ett ángrör, som pà ett effektivt sätt separerar àngan frán vattnet, som leder ut ángan fràn bränslepatronen och som är enkelt att tillverka.

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

En bfänslepatron enligt uppfinningen innefattar ett flertal ángrör anordnade ovanför varandra med sina längdaxlar parallella med bränslepatronens längdaxel. Under drift är bränslepatronen anordnad vertikalt i härden och ánga strömmar uppàt genom ángrören. Ångröret har ett inlopp för ángan i sin ena ände, inloppsänden, och ett utlopp för àngan i sin andra ände, utloppsänden. Ångrören är anordnade pà avstånd frán varandra sä att öppningar bildas mellan àngrören. Dessa öppningar har tvà funktioner dels ska ànga strömma in till ángrören och dels ska det vatten som bildas pä àngrörens insidor ledas ut. Ångrörens mantelytor behöver därmed inte förses med särskilda öppningar för införsel av ànga och utförsel av vatten.

För att avskilja vattnet fràn àngrörets insidor och förhindra att det följer med ángströmmen in i nästa ángrör sá utformas àngrörens utlopp och inlopp sä att utloppets inre radie är större än inloppets yttre radie. Avstandet mellan tvà àngrör ska vara sà stort att det ger tillräcklig inströmningsarea för ángan samtidigt som det fär inte vara sá stort att det avskilda vattnet hinner avlänkas sá mycket att det följer med àngan upp i nästa ängrör. Företrädesvis ska öppningen mellan ángrören ha en area som är i storleksordningen nära ängrörets tvärsnittsarea.

Vattnet pà insidan av àngröret kan bilda en sammanhängande vattenfilm. I en utföringsform av uppfinningen förses ángrörets utloppsände med medel för att samla upp vatten fràn vattenfilmen och att leda det uppsamlade vattnet mot utloppet. '15 509 875 4 Pà sà sätt bildas stora vattendroppar i lokaliserade stràk.

Dessa stora vattendroppar avlänkas inte sà lätt som mindre vattendroppar och pà sà sätt minskar risken för att vattnet förs in med àngan. När vattendropparna samlas i stràk sà bildas det också nästan vattenfria strák mellan stráken med vattendroppar och i dessa vattenfria strák kan ángan obehindrad strömma in i àngröret. Pa så vis minskar risken för att vattendropparna hindrar àngan fràn att strömma in i ángröret.

För att underlätta inströmningen av ànga till àngröret sä kan de mot varandra ställda inlopps- och utloppsändarna utformas avsmalnande mot öppningarna för venturiverkan.

FIGURBESKRIVNING Figur la visar en bränslepatron innefattande ángrör enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Figur lb visar ett tvärsnitt A-A, och figur lc visar ett tvärsnitt B-B genom bränslepatronen i figur la.

Figur 2 visar visar mera i detalj hur en inloppsände och en utloppsände för ett ängrör kan utformas.

Figur 3 visar en annan utföringsform av inloppsänden och utloppsänden för angröret.

Figur 4 visar en del av en bränslepatron innefattande ett àngrör enligt en andra utföringsform av uppfinningen.

Figur 5 visar en del av en bränslepatron innefattande ett angrör enligt en tredje utföringsform av uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur la visar en utföringsform av en bränslepatron enligt uppfinningen. Under drift är bränslepatronen anordnad vertikalt i reaktorhärden. Figur lb visar ett vertikalt snitt ß L_'.'l 509 875 A-A genom bränslepatronen och figur lc visar ett vertikalt snitt B-B genom bränslepatronen. Bränslepatronen innefattar ett övre handtag 1, ett undre ändparti 2 och ett flertal pà varandra staplade bränsleenheter 3a, 3b och 3c. Varje bränsle- enhet innefattar ett flertal bränslestavar 4 anordnade mellan en topplatta 5 och en bottenplatta 6. Bränsleenheterna är staplade på varandra i bränslepatronens längdriktning och de är staplade pà sa sätt att topplattan 5 i en bränsleenhet är 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. Bränsle- patronen är innesluten i ett höljerör 9 med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. I detta utföringsexempel innehåller bränslepatronen átta bränsleenheter.

En bränsleenhet har 100 bränslestavspositioner i ett ortogonalt 10x10 gitter. En bränslestavsposition är en position i gittret i vilken det är möjligt att anordna en bränslestav. Alla positionerna i gittret behöver inte vara besatta med bränslestavar. Bränsleenheten är indelad i fyra delknippen med 25 bränslestavspositioner i ett ortogonalt 5x5 gitter. Gittret i ett delknippe består av en bränslestavs- position i centrum av delknippet, och kring denna är en inre fyrkantig ring anordnad bestående av 8 bränslestavs- positioner. Utanför den inre ringen finns en yttre fyrkantig ring bestående av 16 bränslestavspositioner.

Bränslepatronen innefattar tre olika typer av bränsleenheter 3a,3b,3c. I de tvà understa bränsleenheterna 3a är alla bränslestavspositionerna besatta med bränslestavar som är anordnade parallellt med bränslepatronens längdaxel. Bränsle- stavarna i bränsleenheterna 3b och 3c är anordnade sä att de lutar mellan bottenplattan och topplattan. 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 sätta rotation pá vattnet och ángan som strömmar uppåt genom bränslepatronen och att pà sà sätt åstadkomma en separation av vatten och ànga. En sådan '15 509 875 ° bränslepatron är känd fràn den svenska patentskriften nr 96024476.

Bränsleenheten 3b har 96 bränslestavar uppdelade pà fyra delknippen. Var och en av delknippena innehàller 24 bränslestavar anordnade i en inre ring lla och en yttre ring llb. Bränslestavarna lutar i pilarnas riktning, dvs runt delknippets centrum. Bränslestavspositionen i delknippets centrum är obesatt. Pa sa sätt bildas en tom volym i bränsleknippets centrum. Den tomma volymen utgör nedre delen av en vertikal kanal som sträcker sig genom de sex översta bränsleenheterna i bränslepatronen.

Det finns fyra kanaler l2a,l2b,l2c,l2d som sträcker sig genom bränslepatronen, en kanal i varje delknippe. De lutande bränslestavarna i delknippet ástadkommer en virvel av vatten och änga runt kanalen. Virvlarnas riktning är markerad med pilar i kanalen. I denna virvel separeras vattnet och angan fràn varandra genom att vattnet slungas utát samtidigt som ångan pressas mot virvelns centrum.

De fyra översta bränsleenheterna 3c har vardera 80 bränsle- stavar fördelade pà fyra delknippen. I varje delknippe är bränslestavspositionen i centrum och fyra positioner i den inre ringen obesatta och pà sà sätt bildas en tom volym som sträcker sig genom delknippet. De tomma volymerna bidrar till de fyra kanalerna l2a - l2d som stäcker sig genom bränslepatronen. I var och en av kanalerna är fyra ängrör l0a, lOb, 10c och l0d anordnade ovanför varandra sa att deras längdaxlar sammanfaller med varandra. Genom àngrören leds àngan mot bränslepatronens utlopp. I detta utföringsexempel är alla àngrören utformade lika. Varje bränsleenhet 3c innehåller fyra ángrör anordnade mellan bottenplattan och topplattan.

Figur 2 visar mera i detalj hur ett àngrör kan vara utformat. Ångrörets nedre ände 14, i fortsättningen kallad ángrörets inloppsände, har en öppning som utgör inlopp l4b för àngan. Ångrörets övre ände 13, i fortsättningen kallad àngrörets utloppsände, har en öppning som utgör utlopp l3b för ànga och is \J 509 875 vatten som har samlats på ångrörets innersida. Utloppsänden av det första ångröret l0a är anordnad på avstånd från inlopps- änden av nästa ångrör 10b. Ångrörets inloppsända har en yttre diameter D2 som är mindre än diametern D3 hos öppningen i utloppsänden. Därmed kastas vattnet 15 som kommer från insidan av det första ångröret ut på avstånd från inloppet av nästa rör och på så sätt avskiljs vattnet från ångan som fortsätter upp genom nästa ångrör. Avståndet mellan två ångrör ska vara så stort att det ger tillräcklig inströmningsarea för ångan samtidigt som det får inte vara så stort att det avskilda vattnet hinner avlänkas så mycket att det följer med ångan upp i nästa ångrör. Företrädesvis ska öppningen mellan ångrören ha en area som är i storleksordningen nära ångrörets tvärsnittsarea, vilken bestäms av ångrörets diameter Dl.

Pilarna i figuren visar ångflödets riktning.

Inströmningen av ångan underlättas av att ångrörens utloppsändar och inloppsända är utformade så att venturieffekt erhålles. För detta ändamål är inloppsändarna och utloppsändarna anordnade så att de smalnar av mot öppningen.

Inloppets diameter D2 och utloppets diameter D3 ska vara mindre än àngrörets diameter D1.

Insidan av utloppsänden 13 är försedd med svagt vinkelställda urspårningar 16 som mynnar i utloppet. Dessa urspårningar har till uppgift att samla upp vatten från den vattenfilm 17 som täcker insidan på ångröret och att koncentrera vattnet till urspàrningarnas mynningar 16b. På så sätt bildas stora vattendroppar i lokaliserade stråk. En fördel med detta är att stora vattendroppar inte avlänkas lika lätt som mindre vatten- droppar och därmed minskas risken för att vattnet ska följa med ångan in i nästa ångrör. Dessutom så gör de lokaliserade stråken med vatten att det bildas vattenfria stråk mellan dessa stråk genom vilka ånga obehindrat kan kan strömma in i nästa ångrör.

Inloppsänden 14 är försedd med en avkastarkant 18 och utloppsänden 13 är försedd med en avkastarkant 19 för att skrapa av vattnet som transporteras längs med utsidan på ß 509 875 àngröret. För att förstärka bildandet av vattenfilmen pä ángrörets insida sa kan àngrörets insida förses med snedställda fenor 20. Altenativt kan fenor anordnas i bottenplattan 6. Ångrörets inloppsände är infäst mot bottenplattan 6 med ett flertal infästningsorgan 21 och angrörets utloppsände är infäst mot topplattan 5 med ett flertal infästningsorgan 22.

Figur 3 visar ett annat exempel pa hur àngrörets utloppsände och inloppsände 26 kan utformas. Utloppsändens öppningskant är anordnad med flikar 27. Flikarna har samma funktion som urspárningarna i föregående exempel nämligen att bilda stora vattendroppar i lokaliserade strák. I figuren visas skillnaden mellan vattendropparnas utformning när öppningskanten är försedd med flikar 27 och när öppningskanten är rak 28. Vid den raka öppningskanten bildas en ridà med mindre vatten- droppar som riskerar att tränga in i öppningen mellan ángrören. Ångröret är försett med en avkastarring 29 pà sin inloppsände och ytterligare en avkastarring 30 pà sin utlopps- ände. Avkastarringarna har till uppgift att avlägsna det vatten som samlas pà àngrörets utsida. Ångrörets utloppsände är infäst mot topplattan 5 med infästningsorgan 32 och äng- rörets inloppsände är infäst mot bottenplattan 6 med infästningsorgan 31.

I den svenska patentskriften 9604720-4 visas en bränslepatron med bränsleenheter staplade pà varandra i vilka bränslestavarna är anordnade i ett polärt gitter innefatande ett antal koncentriska ringar. I en sådan bränslepatron kan med fördel uppfinningen tillämpas.

Figur 4 visar en del av en bränslepatron enligt en andra utföringsform av uppfinningen. Bränslepatronen innehàller ett antal bränsleenheter 40a ~ 40c vilka alla har bränslestavar anordnade i ett polärt gitter innefattande tre koncentriska ringar. I bränslepatronens nedre del är bränsleenheter 40a anordnade. Alla bränslestavspositioner i bränsleenheten 40a är besatta och bränslestavarna 41 är grövre än bränslestavarna 42 i bränsleenheterna högre upp i bränslepatronen. I 5409 875 bränsleenheten 40b är också alla bränslestavspositionerna besatta. Bränslestavarna 42 har en mindre diameter än bränslestavarna 41 i bränsleenheten 40a. Bränslestavarna i de inre ringarna lutar utàt fràn ringarnas centrum sá att en tom volym bildas i centrum. Bränslestavarna lutar inte i ringens riktning som är fallet i det första utföringsexemplet. Därmed bildas ingen virvel som separerar àngan fràn vattnet. En fördel med att luta bränslestavarna utàt är att vattnet följer bränsïestavarna och pà sätt sker en viss separation av vatten och ànga. I bränsleenheterna 40c är bränslestavspositionerna i den inre ringan obesatta och istället är ett àngrör lOa,lOb anordnat i centrum. Ångrören ha samma utformning som har beskrivits ovan. Fördelen med denna uföringsform är att den är enklare att tillverka än den första utföringsformen.

Figur 5 visar en del av en bränslepatron enligt en tredje utföringsform av uppfinningen. Bränslepatronen innefattar en topplatta 37, en bottenplatta 38 och ett flertal hellanga bränslestavar 36 som är anordnade mellan topplattan och bottenplattan. Vidare innefattar bränslepatronen ett antal dellànga bränslestavar 39 som sträcker sig fràn bottenplattan och slutar langt under topplattan. Ovanför dessa dellànga bränslestavar är ett flertal ängrör lOa, 10b anordnade. Ångrören är anordnade ovanför varandra. Mellan àngrören är distanselement 44 anordnade för att dels halla àngrören pá ett bestämt avstand fràn varandra och dels för att fixera ángrören vid varandra. För att hàlla bränslestavarna pà avstånd fràn varandra är att antal spridare 45 anordnade pá avstànd frán varandra utmed bränslepatronen i dess längdriktning. Ångrören är infästa i spridarna. Ångrören är utformade pà samma sätt som beskrivits i de föregående utföringexemplen.

Claims (9)

10 E 20 25 30 35 10 509 875 PATENTKRAV
1. l. Bränslepatron för en kokarvattenreaktor som är anordnad för att under reaktorns drift tillàta vatten att strömma uppát genom bränslepatronen under värmeupptagande fràn ett flertal bränslestavar, varvid en del av vattnet övergàr till ánga, och där bränslepatronen innefattar ett första àngrör (lOa) anordnat med sin längdaxel parallellt med bränslepatronens längdaxel och àngröret innefattar ett inlopp (l4b) för àngan anordnat i àngrörets första ände (14) och ett utlopp (l3b) för ängan anordnat i ängrörets andra ände (13) , k ä. nn e t e c k n a d awr att den innefattar ett andra ängrör (10b) anordnat ovanför och pá avstånd frän det första àngröret (lOa) sä att en öppning bildas mellan ángrören och att det första ängrörets utlopp (l3b) har en diameter (D3) som är större än diametern (D2) hos det andra àngrörets inloPP (l4b).
2. 2. Bränslepatron enligt patentkrav 1 k ä. n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett tredje àngrör (l0c) anordnat ovanför och pà avstånd frán det andra àngröret sä att en öppning bildas mellan ängrören och att det andra àngrörets utlopp har en diameter som är större än diametern hos det tredje ängrörets inlopp.
3. 3. Bränslepatron enligt patentkrav 1 eller 2 kännetecknad av att det första àngrörets andra ände (13) är anordnat avsmalnande mot utloppet (l3b) och det andra ángrörets första ände (14) är anordnat avsmalnande mot (l4b) för àstadkommande av veturiverkan. inloppet
4. 4. Bränslepatron enligt nagot av de tidigare patentkraven kännetecknad av att avståndet mellan det först àngrörets utlopp och det andra àngrörets inlopp är mindre än halva inloppets diameter (D3/2). 10 15 20 25 11 509 875
5. 5. Bränslepatron enligt nagot av de föregàende patentkraven kånnetecknad av att åtminstone något av àngrören i sin andra ände (13) innefattar medel (l6,27) för att samla upp vatten pà angrörets insida och leda det uppsamlade vattnet mot utloppet (l3b).
6. 6 . Bränslepatron enligt patentkrav S k ä' n n e t e c k n a d a v att nämnda medel utgörs av làngsträckta urspárningar (16) pá àngrörets insida.
7. 7. Bränslepatron enligt patentkrav 5 kännetecknad av att nämnda medel utgörs av flikar (27) anordnade runt utloppet.
8. 8. Bränslepatron enligt nàgot av föregående patentkrav kännetecknad av att bränslepatronen innefattar átminstone två pà varandra staplade bränsleenheter (3c,40c) vilka var och en innefattar en topplatta (5) , en bottenplatta (6) , ett flertal bränslestavar (4) som sträcker sig mellan topplattan och bottenplattan, och ett av nämnda ángrör (10a- l0c).
9. 9. Bränslepatron enligt patentkrav 8 kännetecknad av att àngrörets första ände (14) är infäst i bottenplattan (6) och att àngrörets andra ände (13) är infäst i topplattan (5).