SE510656C2 - Bränslepatron för kärnreaktor - Google Patents

Description

lO l5 510 656 bränslepatronens undre del och tväfasdelen i bränslepatronens övre del.

Under drift överförs värme frán bränslestavarnas kapslingsytor till kylmedlet vilket innebär att àngbildningen sker vid kapslingsytorna. Det krävs en viss överhettning av vattnet intill kapslingsytan för att ángbubblor ska kunna bildas.

Vidare krävs en viss temperaturdifferens mellan kapslingsytan och kylmedlet för den konvektiva värmeöverföringen vid kapslingsytan. Detta innebär att ängbildningen inträffar innan kylmedlets medeltemperatur nätt koktemperatur, dvs underkyld kokning. Sett i ett tvärsnitt genom bränslepatronen sker alltà uppvärmningen av kylmedlet ojämnt. Kylmedlet närmast bränsle- stavarna kokar och genererar ànga samtidigt som kylmedlet i utrymmena mellan bränslestavarna har en temperatur som ligger en bra bit under koktemperatur. Den axiella nivä i bränslepatronen där kylmedlet i genomsnitt har uppnàtt kok- temperatur kallas för nettokokning (bulk boiling). Ånga är pà grund av sin lägre densitet en sämre moderator än vatten, vilket betyder att andelen ànga i kylmedlet bestämmer bränslets moderering. Ju mindre andelen ánga är i kylmedlet desto fler neutroner kan bromsas ner och därmed utnyttjas för att generera nya kärnreaktioner. Andelen ànga i kylmedlet bestämmer alltsà bränslets neutronekonomi och därmed hur effektivt bränslet kan utnyttjas.

Ett välkänt problem som kan uppstå i en kokarvattenreaktor är att härden blir instabil vilket innebär att effekten i härden Effekt- svängningarna kan resultera i överskridande av fastställda börjar svänga, sk termohydraulisk instabilitet. marginaler för bränslet, vilket i sin tur kan leda till bränsleskador. Risken för instabilitet ökar ju större skillnaden i tryckfall är mellan tváfasdelen och enfasdelen.

Tryckfallet i tvàfasdelen är mycket högre än i enfasdelen. För att minska risken för instabilitet mäste tryckfallet i tväfas- delen minskas. l5 510 656 Det är känt att en spridare påverkar kylmedlets strömning genom att turbulens uppstår i kylmedlet då det passerar spridaren.

Det är också känt att utforma spridarna så att storlek och riktning på turbulensen blir den önskade. I den svenska patentansökan 9303583-O visas en spridare där enskilda spridarceller har försetts med blandningsfenor för skapande av turbulens och därmed förbättra kylningen av bränslestavarna.

Att öka turbulensen i bränslepatronen genom att sätta spridarna tätare är känt från t ex den svenska patentskriften 9302252-3.

Avsikten med att öka turbulensen i denna skrift är att förbättra kylningen av bränslestavarna.

I patentskriften US 005 164 l55A refereras till en kokar- vattenreaktor som har problem med vibrationer i bränsle- stavarna orsakade av kylvattenflödet. För att minska dessa vibrationerna sätts spridarna tätare i bränslepatronens I detta fall utnyttjas spridarnas stödjande funktion och inte dess förmåga att enfasdel än i dess tvåfas del. skapa turbulens.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att anvisa en bränslepatron för en kokarvattenreaktor som har en förbättrad neutronekonomi och dessutom en minskad risk för termohydralisk instabilitet jämfört med kända bränslepatroner.

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

En bränslepatron kan under normal drift i axiell led indelas i tre delar vilka i denna ansökan benämnes enfasdel, undre tvåfasdel och övre tvåfasdel. Enfasdelen sträcker sig från bottenplattan och ca 0.2-O.3m uppåt i bränslepatronen. I enfasdelen förekommer ingen kokning så kylmedlet förekommer endast i vattenfas. I den undre tvåfasdelen råder det underkyld kokning, vilket innebär att kylmedlet föreligger i två faser och innehåller både vatten och ånga, men att kylmedlets medel- lO 510 656 temperatur är lägre än dess koktemperatur. Den undre tvàfasdelen sträcker sig fràn enfasdelen till ca 0.6-O.8m fràn bottenplattan. I den övre tvåfasdelen råder det nettokokning, dvs kylmedlets medeltemperatur är lika med eller överstiger koktemperaturen. Den övre tvåfasdelen sträcker sig från den undre tvåfasdelen till topplattan. Den övre och den undre tvåfasdelen utgör tillsammans bränslepatronens tvåfasdel.

Enligt uppfinningen anordnas åtminstone tvà, men företrädesvis alla, varandra som är mindre än medelvärdet av avstånden mellan alla spridarna i den undre tvåfasdelen med ett avstånd mellan spridarna i hela bränslepatronen. Med medelvärdet av avstànden mellan alla spridarna i hela bränslepatronen avses avståndet mellan botten och topplattan delat med det totala antalet spridare ökat med ett. Syftet med att anordna spridarna tätare i den undre tvåfasdelen är att åstadkomma en ökad omblandning av kylmedlet mellan bränslestavarna. På så vis åstadkommes en utjämning av kylmedlets temperatur så att den underkylda kokningen minskar, företrädesvis upphör helt, i den undre tvåfasdelen av bränslepatronen. När kokningen minskar minskar också mängden ånga i bränslepatronen.

En första fördel med uppfinningen är att modereringen ökar i bränslepatronens undre del som en följd av att andelen ånga minskar varvid neutronekonomin förbättras.

En andra fördel med uppfinningen är att risken för termo- hydralisk instabilitet minskar i och med att tryckfallet över tvåfasdelen av bränslepatronen kommer att minska samtidigt som tryckfallet över enfasdelen ökar. Tvàfasdelen av tryckfallet kan definieras som den ökning av tryckfallet som uppkommer vid övergången från enfas- till tvåfasströmning. Stabiliteten bestäms i stor utsträckning av kvoten mellan tvåfas- och enfastryckfallet. En mindre tvàfasdel innebär att tryckfallet i den över delen blir mindre. Samtidigt ökar tryckfallet i enfasdelen eftersom turbulensen i den delen ökar i storlek. När skillnaden i tryckfall mellan enfas- och tvåfasdelen minskar så minskar också risken för termo-hydraulisk instabilitet. 510 656 Ovanstående fördelar kan vidare förstärkas genom att spridarna i den undre tváfasdelen innefattar organ för att öka omblandningen av kylmedlet mellan bränslestavarna.

För att uppnå syftet med uppfinngen är det väsentligt att spridarna anordnas tätare i den undre tvåfasdelen och inte i den övre tvàfasdelen. Om spridarna anordnas tätare i den övre tvåfasdelen ökar istället mängden ånga varvid syftet motverkas, dvs neutronekonomin blir sämre och risken för instabilitet ökar. Om spridarna anordnas tätare i enfasdelen påverkas inte mängden ånga och ingen effekt erhålles.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 2 visar ett horisontellt snitt A-A genom bränslepatronen i figur 1.

Figur 3 visar àngbildning axiellt i en kylkanal.

Figur 4 visar ett exempel på en spridare avsedd för att anordnas i en bränslepatron enligt uppfinningen.

Figur 5a visar en hylsa till en spridare i perspektiv.

Figur 5b-5d visar hylsan försedd med alternativa utförinsformer av blandningsfenor.

BESKRIVNING Av UTFÖRINGsFoRr/LER Figur 1 visar en bränslepatron enligt en första utföringsform av uppfinningen. Figur 2 utgör ett horisontellt snitt A-A genom 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 strömmar. Höljeröret 2 är försett med ett ihàligt, med korsformat tvärsnitt utformat stödorgan 3, som är fast förbundet med höljerörets fyra väggar. Stödorganet består l0 l5 510 656 av fyra ihåliga flyglar och ett ihåligt förstorat korscentrum.

Stödorganet 3 bildar en vertikal kanal genom vilken icke- kokande vatten strömmar uppåt genom bränslepatronen. Höljeröret 2 med stödorgan 3 omsluter fyra vertikala kanalformade delar 4a - 4d, s k delkanaler, med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt.

Varje delkanal innehåller ett bränsleknippe innefattande ett flertal parallellt anordnade bränslestavar 5. En bränslestav består av ett antal cylindriska kutsar av urandioxid staplade på varandra och inkapslade i ett kapslingsrör av Zircaloy.

Alla bränslestavarna 5 i bränsleknippet sammanhålls nedtill av en bottenplatta 6 försedd med öppningar genom vilka vatten strömmar in i bränslepatronen och upptill av en topplatta 7 också försedd med öppningar genom vilka vatten och ånga lämnar bränslepatronen. Bränslestavarna hålls medelst spridare 8a och 8b på avstånd från varandra och hindras därmed från att böja sig eller vibrera då reaktorn är i drift.

Det område mellan fyra intill varandra anordnade bränslestavar i vilket kylmedel strömmar kallas för kylkanal. Figur 3 visar ett tvärsnitt B-B genom en kylkanal lO i figur 2. Längst ner i kylkanalen befinner sig kylmedlet i enfas, dvs i form av vatten. Detta område benämnes i fortsättningen enfasområdet lla. Högre upp i kylkanalen börjar vattnet intill 5b att koka och ångbubblor bildas vid bränslestavarnas kapslingsytor. I området strax nedströms där bränslestavarna 5a, bubbelbildningen startar är bubblorna för små för att slitas loss från kapslingsytorna av vattenflödet. De häftar således kvar vid kapslingsytorna och bildar ett tunnt bubbelskikt. Det är först längre upp i kylkanalen som bubblorna börjar frigöra sig från väggen och blandar sig med vattnet. I mitten av kylkanalen finns ett område med vatten som har en temperatur som är lägre än kylmedlets koktemperatur.

Kylmedlets medeltemperatur ökar med avståndet från bottenplattan 6 upp till en nivå där nettokokning inträder.

Nettokokning innebär att medelvärdet av temperaturen i ett tvärsnitt genom kylkanalen är lika med kylmedlets kok- temperatur. I en kokarvattenreaktor ligger koktemperaturen vid l5 510 656 ca 286°C. Detta innebär att àngbildningen inträffar innan kyl- vattnets medeltemperatur nått koktemperatur. Denna typ av äng- bildning kallas underkyld kokning. Det omràde där det rader underkyld kokning kallas i fortsättningen för det undre tvàfas- omràdet l2a. Omràdet ovanför gränsen för nettokokning kallas för det övre tvàfasomràdet l3a.

Gränsen för nettokokning varierar givetvis beroende av reaktorns effekt, kylflöde och kylmedlets underkylning i inloppet. Vid normal drift körs reaktorn oftast med en konstant effekt vilket betyder att gränsen för nettokokning ligger pà en bestämd nivà. Vid start och stopp av reaktorn kommer gränsen för nettokokning att variera. I figur l visas hur bränslepatronen kan indelas i tre delar, en enfasdel llb, en undre tvàfasdel l2b och en övre tvàfasdel l3b, beroende av i vilket område dessa delar befinner sig vid normal drift av reaktorn.

Bränslepatronen i figur l har spridarna anordnade med skilda avstànd mellan varandra. Spridarna 8a i den undre tvàfasdelen är anordnade med ett avstànd dl fràn varandra. Spridarna i den övre tvàfasdelen är anordnade med ett avstànd d2 mellan sig, där dl < d2. 425mm < dg < 600mm dl < 400mm Medelavstandet dav mellan spridarna i bränslepatronen beräknas som avståndet h mellan topplattan och bottenplattan delat med antalet spridare n, i detta utföringsexempel sex stycken, ökat med ett. dav = h/(n+l) I en bränslepatron enligt uppfinningen är dl < dav. I en första utföringsform av uppfinningen är alla spridarna i bränsle- patronen lika. I en andra utföringsform skiljer sig spridarna 8b i den övre tvàfasdelen och i enfasdelen fràn spridarna 8a i den undre tvàfasdelen genom att spridarna 8a i den undre 510 656 tvàfasdelen är försedda med organ för att öka omblandningen av kylmedlet mellan bränslestavarna.

Figur 4 visar ett exempel pà en spridare 8a som kan användas i en bränslepatron enligt uppfinningen. Spridaren 8a har ett ortogonalt gallerverk sammansatt av hylsor 14 där varje hylsa är avsedd att positionera en genom denna löpande bränslestav.

Figur 5a-5d visar exempel pà hylsor som kan användas i spridaren 8a.

I figur 5a visas en hylsa l4a avsedd att sammanfogas med andra likadana hylsor till ett gallerverk enligt figur 4. Hylsan är försedd med tvà blandningsfenor l5a utformade som tappar sträckande sig fràn hylsans övre kant och vinklade ut frän hylsans centrum för ástadkommande av turbulens hos det förbi strömmande kylmedlet och en omblandning av kylmedlet.

Figur 5b visar en hylsa l4b med blandningsfenor l5b i form av flikar utstansade ur hylsans väggmaterial och vilka flikar är böjda längs med en axel vinkelrät mot hylsans längsaxel och in mot dess centrum.

Figur 5c och 5d visar hylsor l4c och l4d med blandningsfenor l5c och l5d anordnade i en del av den präglade ytan hos hylsan.

Blandningsfenorna är böjda kring en axel med en viss vinkel mot hylsans längsaxel och ut fràn hylsans centrum.

Spridarna kan vara utformade pà mànga olika sätt, t ex kan gallerverket även utgöras av celler eller korslagda, pà högkant stàende bandelement.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 510 656 PATENTKRAV

1. l. Bränslepatron för en kokarvattenreaktor vilken under reaktorns drift är anordnad vertikalt i härden och innefattar ett flertal bränslestavar (5) anordnade parallellt med varandra i ett bränsleknippe, ett flertal spridare (8a, 8b) anordnade på skilda nivåer i bränslepatronen för att sammanhålla och fixera bränsleknippet, ett höljerör (2) som omsluter bränsleknippet och som är anordnat för anslutning till ett kylmedel som strömmar uppåt genom bränslepatronen och som därvid övergår från ett enfastillstånd till ett tvåfastíllstånd, varvid bränslepatronen i axiell led kan indelas i en övre tvåfasdel (l3b) där det vid normal drift råder nettokokning, (l2b) där det vid normal drift råder underkyld kokning, kännetecknad av att åtminstone två av en undre tvàfasdel spridarna (8a) har ett inbördes avstånd i den undre tvåfasdelen som är mindre än medelvärdet av avstånden mellan spridarna i resten av bränslepatronen.

2. Bränslepatron enligt patentkrav l , k ä nn e t e c k n a d a v att avstånden mellan spridarna (8a) i den undre tvåfasdelen är mindre än medelvärdet av avstånden mellan spridarna (8a,8b) i resten av bränslepatronen.

3. Bränslepatron enligt patentkrav 1 eller 2, kånnetecknad av att avståndet mellan nämnda spridare (8a) i den undre tvåfasdelen är mindre än 400 mm.

4. Bränslepatron enligt något av de tidigare patentkraven, kännetecknad av att nämnda spridare i den undre (l5a,l5b,l5c, l5d) för att öka omblandningen av kylmedlet mellan bränslestavarna. tvåfasdelen innefattar organ

5. Bränslepatron enligt patentkrav 4, kännetecknad av att nämnda organ innefattar blandingsfenor anordnade på spridarna. 5

6. . 510 656 10 Bränslepatron enligt nàgot av de tidigare patentkraven, där bränslestavarna är anordnade mellan en bottenplatta och en topplatta kännetecknad av att den undre tvàfasdelen är belägen ca 0.6 - 0.8m fràn bottenplattan.