SE513289C2 - Korsformad styrstav där mängden absorbatormaterial är mindre i styrstavens övre del än i dess undre - Google Patents

Description

10 513 28?9 hàl eller rör fyllda med ett neutronabsorberande material, t ex borkarbid (B4C) eller hafnium. Absorbatormaterialet är vanligtvis likformigt fördelat i bade axiell och radiell led i absorbatorbladen. Styrstavarnas aktiva längd, d v s längden av den del av styrstaven som innehàller absorbatormaterialet, motsvarar reaktorhärdens aktiva höjd när styrstavarna är fullt inskjutna i härden.

Bränslepatronerna är anordnade i ett regelbundet gitter, där varje bränslepatron ingár i tva mot varandra vinkelräta rader av bränslepatroner. Styrstavarna är normalt anordnade med vart och ett av sina absorbatorblad mellan tva i samma rad belägna bränslepatroner, så att varje styrstav tillsammans med fyra omkring dess blad anordnade bränslepatroner bildar en enhet.

Styrstavarna i reaktorn är vanligen uppdelade i tva grupper med olika uppgifter. Den ena gruppen av styrstavar är under normal drift helt utdragna ur härden och används endast för att stoppa och starta reaktorn. Den andra gruppen används för reglering av reaktoreffekten och för utbränningskompensation under normal reaktordrift. Styrstavarna i den andra gruppen kommer i fortsättningen att benämnas reglerstavar. Dessa reglerstavar utgör vanligen mindre än 10% av alla styrstavar.

I början av en driftcykel är reglerstavarna inskjutna. Med en driftcykel avses tiden mellan tva bränslebyten. För att kompensera för bränslets utbränning dras reglerstavarna successivt ut under driftcykeln. Ändringen av reglerstavarnas lägen sker med vissa tidsintervall, t ex en gäng per vecka. Ändringen kan t ex bestà i att reglerstavarna dras ut ca 8% av sin längd.

Idag används konventionella styrstavar, med absorbator- i bada styrstavsgrupperna. Under den tid reglerstavarna är inskjutna materialet likformigt fördelat i absorbatorbladen, skyddas de bränslekutsar som befinner sig intill absorbator- bladen fràn utbränning av fissilt material. Detta leder till att vid varje tillfälle som reglerstaven dras ut en bit friläggs bränslekutsar som innehàller höga halter av fissilt lO 513 239 3 material, varvid en avsevärd effekthöjning äger rum i dessa bränslekutsar. Denna lokala effekthöjning sker mycket snabbt.

Sàdana pàkänningar kan i vissa fall orsaka bränsleskador, s k PCI-skador (PCI = pellet-clad interaction), pà kapslingsröret som omger bränslekutsarna. De bränslestavar som befinner sig närmast reglerstavens korscentrum är särskilt utsatta för sådana pàkänningar och löper därmed störst risk för bränsleskador. Orsaken till detta är att dessa bränslestavar skyddas mot utbränning av fissilt material av tvà absorbator- blad.

Frän den amerikanska patentansökan nr 367 099 är en styrstav känd som i sin övre del är anordnad med en mindre andel absorbatormaterial per längdenhet än styrstaven i övrigt. Pa sä vis hinner en del av det fissila materialet brännas ut under den tid som styrstaven är helt inskjuten i härden och effektökningen blir inte lika stor när reglerstaven dras ut.

En minskad effektökning när reglerstaven dras ut àstadkoms genom att ett stort antal borrade kanaler anordnas vinkelrätt mot styrstavens längdriktning och fylls med ett neutronabsorberande material, varvid kanalerna i styrstavens övre del har en relativt mindre radie, varvid respektive kanals längd är väsentligt större än dess radie, medan de övriga kanalerna har en relativt större radie.

En nackdel med denna styrstav är att den erhállna minskningen av effektökningen när styrstaven dras ut inte är tillräckligt stor för att eliminera risken för bränsleskador pä de mest utsatta bränslestavarna, d v s bränslestavarna som befinner sig närmast styrstavens korscentrum.

En annan nackdel är att livslängden blir kortare för ovan nämnda styrstav än för konventionella styrstavar. Livslängden för absorbatormaterialet, och därmed styrstavens livslängd, beror av mängden absorbatormaterial per ytenhet. För en cylinderformad kanal vars längd är väsentligt större än dess radie gäller att livslängden för absorbatormaterialet huvudsakligen pàverkas av dess radie. En minskning av 5134289 kanalernas diameter leder till motsvarande minskning av livs- längden hos styrstaven.

Från den amerikanska patentansökan nr 659 436 är det känt att anordna mindre mängd absorbatormaterial i den del av absorbatorbladen som sträcker sig utefter de närmast korscentrum belägna bränslestavarna. Bladen är i sin yttre del försedda med ett stort antal, med absorbatormaterial fyllda, längdriktning. I en utföringsform saknar den del av kanaler som sträcker sig vinkelrätt mot styrstavens absorbatorbladen som är belägen innanför de fyllda kanalerna absorbatormaterial. Styrstaven är försedd med ursparingar, vilka sträcker sig över den närmast korscentrum belägna bränslestaven. Dessa ursparingar är moderatorfyllda så att konsumtionen av fissilt material i närbelägna bränslestavar ökar. Genom att anordna absorbatormaterialet på detta sätt möjliggörs att längden på en driftscykel för en reaktor kan förlängas avsevärt.

Nackdelen med att använda en sådan styrstav som reglerstav är att risken för bränsleskador visserligen har minskats för de mest utsatta bränslestavarna, d v s de närmast korscentrum, men risken för bränsleskador på övriga bränslestavar är oförändrad jämfört med risken för bränsleskador vid användande av konventionella styrstavar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en styrstav för en kärnreaktor som ger en minskad risk för bränsleskador när den från ett infört läge under en längre tid i successiva steg dras ut ur reaktorhärden.

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

En styrstav enligt uppfinningen har absorbatorblad, som bildar ett rätvinkligt kors med ett centralt korscentrum, och vars förmåga att absorbera neutroner varierar både axiellt 513 289 5 och radiellt. Absorbatorbladens förmaga att absorbera neutroner är lägre i dess övre del än i dess nedre del. I absorbatorbladens övre del är neutronabsorptionsförmägan högre i dess yttre del än i dess inre del som gränsar till korscentrumet. Styrstaven enligt uppfinningen leder till att effektsänkningen för bränslekutsar belägna intill den övre delen av styrstaven blir mindre, relativt bränslekutsar som ej kontrolleras med avseende pá klyvningshastighet med hjälp av styrstavar. Speciellt de bränslekutsar som är belägna närmast styrstavens korscentrum far en mindre effektsänkning än de bränslekutar som ej kontrolleras med hjälp av styrstavar. När styrstaven dras ut en bit, och bränslekutsarna som skyddats av styrstavens övre del friläggs, blir effektökningen i dessa bränslekutsar mindre än för tidigare kända styrstavar, p g a att bränslekutsarna redan är utbrända till en viss del.

En fördel med en styrstav enligt uppfinningen är att risken för bränsleskador pà kapslingsröret i samband med att styrstaven dras ut minskas. En annan fördel är att utnyttjandet av bränslet blir effektivare. Ytterligare en fördel är att längre livslängd för styrstavarna möjliggörs.

I en styrstav enligt uppfinningen innefattar vart och ett av absorbatorbladen en övre och en nedre del, varvid medelvärdet av innehållet av absorbatormaterial per längdenhet av styrstaven är mindre i styrstavens övre del än i dess nedre del. absorbatormaterial oçhH§n_inre del som saknar absorbator- Den övre delen innefattar en yttre del försedd med material och som är“an9rQgad_radiellt innanför den yttre delen.

För att uppnà fördelarna_med uppfinningen bör àtminstone något parti av nämnda inre del utgöra minst\en fjärdedel av absorbatorbladets bredd i radiell led. I en speciellt fördelaktig utföringsform bör åtminstone nagot parti av nämnda inre del utgöra minst en tredjedel av absorbatorbladets bredd i radiell ledd. Arean, tvärs styrstavens längdriktning, av nämnda inre del bör vara i ett snitt 513 2869 minst 25% av den övre delens area. I en speciellt fördelaktig utföringsform bör arean, i ett snitt tvärs styrstavens längdriktning, av nämnda inre del vara minst 30% av den övre delens area. Den övre delens längd bör inte överstiga en tredjedel av absorbatorbladets totala längd.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen anordnas ursparingar i form av genomgående hàl i de inre centrala delarna av styrstavens övre del. Detta medför att mer neutronmoderator tillförs styrstavens övre centrala del vilket ytterligare ökar utbränningen av fissilt material i bränslestavarna som är anordnade närmast styrstavens korscentrum.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar i ett horisontellt snitt en liten del av en reaktorhärd för en kokarvattenreaktor, närmare bestämt ett tvärsnitt genom fyra bränslepatroner med en centralt mellan dessa placerad styrstav.

Figur 2a - 2d visar i vertikala snitt olika utföringsformer av en styrstav enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar ett horisontellt snitt genom fyra bränsle- patroner 1 med en tillhörande styrstav 2 placerad mellan dessa. Snittet är lagt genom styrstavens 2 övre del, Varje bränslepatron l innefattar lOxlO bränslestavar 3.

Bränslestavarna 3 är inneslutna i ett höljerör 4 med ett kvadratiskt tvärsnitt. Varje bränslestav 3 innefattar ett antal bränslekutsar av urandioxid staplade pà varandra och inkapslade i ett kapslingsrör. Utrymmena mellan bränsle- stavarna 3 i bränslepatronen l genomströmmas av vatten som utgör bàde kylmedel och moderator. Mellan bränslepatronerna l bildas spalter Sa och 5b vilka genomströmmas av vatten.

Styrstaven 2 är införd i spalterna 5a och 5b och har fyra 5137289 absorbatorblad 6,7,8,9 som bildar ett rätvinkligt kors.

Styrstavens korscentrum är betecknat 10.

Figur 2a visar ett vertikalt snitt genom en styrstav 2 enligt uppfinningen. Styrstaven 2 är i huvudsak utförd av rostfritt stàl och innefattar en absorbatordel 11, som är uppburen av en vertikal kopplingsstàng 12. Styrstaven 2 innefattar en övre del 15 och en nedrefidel 16. Den övre delens längd utgör högst en tredjedel av absorbatordelens 11 totala längd. Tvà av de fyra absorbatorbladen 6 och 8 är synliga i figur 2a.

Vart och ett av absorbatorbladen 6,8 är försett med ett stort antal borrade kanaler 13,14 som sträcker sig vinkelrätt mot styrstavens 2 längdriktning, fràn absorbatorbladets 6,8 yttre kant och in mot korscentrum 10. vardera kanalen 13, 14 är fylld med ett absorbatormaterial, t ex naturlig eller anrikad borkarbid och/eller metalliskt hafnium, gadolinium eller erbium, och är utàt hermetiskt tillsluten genom t ex svetsning. Dessa kanaler benämns i fortsättningen absorbatorkanaler. Absorbatorkanalerna 13 som är anordnade i absorbatorbladens övre del 15 är väsentligt kortare än absorbatorkanalerna 14 som är anordnade i absorbatorbladens nedre del 16. Absorbatorkanalerna 13 är anordnade i en yttre del, absorbatorbladets övre_del 15. Absorbatorkanalerna 13 har anordnad radiellt utanför en inre del, av vardera en längd som är åtminstone 30% kortare än längden hos en av absorbatorkanalerna_14 i den nedre delen 16.

Absorbatorkanalerna 13,14, i den övre delen 15 respektive i den nedre delen 16 av absorbatorbladen, är företrädesvis cirkulärcylindriska till sin form och har alla samma diameter d. För att erhàlla maximal livslängd bör absorbatorkanalernas 13,14 diameter d vara den_största möjliga med hänsyn tagen till absorbatorbladens godstjocklek. Livslängden för absorbatormaterialet beror av mängden absorbatormaterial per ytenhet, beskrivet undergteknikens ståndpunkt. Däremot ger en halvering av absorbatorkanalens längd med en bibehàllen diameter d endast en marginell påverkan pà livslängden. Pà sà sätt bibehålls styrstavens livslängd trots att andelen absorbatormaterial minskas i dess övre del. 5138 289 Den del av absorbatorbladet som är belägen innanför absorbatorkanalerna 13,14 är försedd med ursparingar 17,18 i form av genomgående häl. I styrstavens övre del 15 är ursparingarna 17 väsentligt bredare i radiell led än ursparingarna 18 i styrstavens nedre del 16. Alla ursparingar har samma utsträckning i axiell riktning. Det är deras respektive radiella utsträckning som varierar. Ursparingarna 17 i den övre delen 15 är lika stora. När styrstaven 2 är införd i härden är ursparingarna 17,18 moderatorfyllda, varvid utbränningen, p g a den goda modereringen, ökar ytterligare för bränslekutsarna som stàr pà tur att blottläggas vid nästa tillfälle som styrstaven 2 ska dras ut en bit. För styrning av styrstaven 2 i de relativt smala spalterna 5a,5b mellan bränslepatronerna 1 är den upptill försedd med styrdynor 19 i form av utàt fràn bladet sig sträckande bulor. Dessutom är styrstaven 2 försedd med ett handtag 20 för hantering av styrstaven vid inmontering och utbyte.

Det enda som skiljer styrstaven 2 i figur 2b fran den i figur 2a är att i den nedre delen 16, i närheten av kopplings- stången 12, är en ursparing 21 anordnad som är väsentligt bredare i radiell led än de övriga ursparingarna 18 i den nedre delen 16 och absorbatorkanalerna 14 som gjorts motsvarande kortare. En fördel med denna utföringsform är att en viss ökad utbränning av bränslestavarna 3 närmast styrstavens 2 korscentrum 10 uppnås så länge styrstaven 2 är helt införd. En annan fördel med denna utföringsform är att behovet av reaktivitetskontroll i omradet kring ursparingen 21 minskar eftersom härden oftast har en manteljon, d v s ett område med làganrikat uran, i botten. Ytterligare en fördel med denna utföringsform är att den inbesparade vikten hos styrstaven 2 kan användas till att placera mer absorbatormaterial i en del av styrstaven 2 där det bättre kommer till nytta. Det senare är mest angeläget dà ett tungt absorbatormaterial som hafnium används. 513 289 9 I figur 2c visas en utföringsform av uppfinningen där ursparingarna l7a, l7b, 17c i den övre delen 15 av styrstaven successivt ökar i bredd och absorbatorkanalerna 13a, 13b, 13c successivt minskar i längd ju närmare toppen av styrstaven som de är anordnade. Fördelen med att absorbatorhalten successivt avtar mot toppen av styrstaven är att detta ger en gradvis och mer ideal ökning av belastningen pà bränslekutsarna när styrstaven dras ut. Nackdelen med denna utföringsform är att den är mer komplicerad att tillverka i jämförelse med de ovan nämnda utföringsformerna Figur 2d visar en styrstav 2 där vart och ett av absorbator- bladen 6,8 är försett med ett stort antal kanaler 22, 23, 24 som sträcker sig i styrstavens längdriktning frán nedre delen och upp mot övre delen av styrstaven 2. Kanalerna 22, 23, 24 är fyllda med ett absorbatormaterial. Ett antal kanaler 22 är anordnade i den yttre delen av de respektive absorbatorbladen 6,8 och sträcker sig utmed styrstavens aktiva längd. En eller flera kanaler 23, 24 är anordnade närmast korscentrumet 10 och är kortare än kanalerna 22 i den yttre delen av de respektive absorbatorbladen. I den övre delen 15 är ursparingar l7a, l7b, 17c anordnade som är bredare än de ursparingar 18 som är anordnade i styrstavens nedre del 16.

Kanalerna 23, 24 närmast korscentrumet 10 slutar nedanför de 17b, infästningen av kopplingsstángen 12. Absorbatorkanalerna 22, bredare ursparingarna l7a, l7c och eventuellt ovanför 23 och 24 är förträdesvis cirkulärcylindriska till sin form och har alla samma diameter d.

Styrstaven 2 enligt uppfinningen är lämplig att användas som komplement till konventionella styrstavar. Styrstaven enligt uppfinningen är särskilt lämplig att användas som reglerstav, för reglering av reaktoreffekt och för utbränningskompensation, jämför beskrivning under teknikens ståndpunkt. Reglerstavarna är under en stor del av driftcykeln inskjutna i härden. För att uppnà de ovan angivna fördelarna med uppfinningen jämfört med en konventionell styrstav, d v s minskad risk för bränsleskador pá kapslingsröret, bättre utnyttjande av bränsle och längre 513 289 livslängd för styrstaven, kan det räcka med ett fàtal styrstavar enligt uppfinningen, t ex 4, 8, 12 eller 16, beroende pá härdens storlek och sätt att utnyttja styrstavarna. En reaktors avställningsmarginal, d v s den inbyggda underskottsreaktiviteten hos reaktorn som gör att den blir säkert underställd vid en avställning, försämras av styrstavar som är inskjutna i härden under drift. Dä endast ett fåtal av styrstavarna i härden är av en typ enligt uppfinningen blir försämringen av avställningsmarginalen liten.

Claims (12)

lO 15 20 25 30 35 513 289 11 PATENTKRAV

1. Styrstav (2) för en kokarvattenreaktor innefattande fyra absorbatorblad (6,7,8,9) som bildar ett rätvinkligt kors med (10) , där absorbatorbladens bredd sammanfaller med styrstavens radiella riktning och ett korscentrum absorbatorbladens längd sammanfaller med styrstavens axiella riktning, och där vart och ett av absorbatorbladen innefattar ett i längdriktningen fördelat absorbatormaterial, varvid ett medelvärde av mängden absorbatormaterial per längdenhet av styrstaven är mindre i styrstavens övre del än i dess nedre del, kännetecknad av att vardera absorbatorbladet i sin övre del (15) innanför en yttre del, där den yttre delen är försedd med innefattar en inre del anordnad radiellt absorbatormaterialetmedan den inre delen saknar absorbator- material, varvid nämndafl inre del i åtminstone något parti utgör minst en fjärdedel av absorbatorbladets bredd.

2. Styrstav enligt patentkrav l, kännetecknad av att den övre delens (15) längd utgör högst en tredjedel av absorbatorbladets längd.

3. Styrstav enligt patentkrav l eller 2, kânnetecknad av att nämnda inre del i åtminstone nàgot parti utgör minst en tredjedel av absorbatorbladets bredd.

4. Styrstav enligt nàgot av föregående patentkrav, kännetecknad av att ett flertal ursparingar (17,l7a,l7b,l7c,l8) är anordnade i nämnda inre del av absorbatorbladet.

5. Styrstav enligt patentkrav 4, kännetecknad av att flertalet av ursparingarna (l7,l8) är anordnade längs med korscentrumet (10), varvid ursparingarna (17) i den övre delen (15) är bredare än åtminstone huvuddelen av ursparingarna (18) i absorbatorbladets nedre del (16).

6. Styrstav enligt nàgot av föregående patentkrav, kännetecknad av att absorbatorbladen innefattar ett 10 15 20 25 30 35 513 289 az flertal radiellt anordnade kanaler (13,l4) i vilka absorbatormaterialet är anordnat, varvid åtminstone huvuddelen av kanalerna (13) i den övre delen (15) är kortare än kanalerna (14) i den nedre delen (16) av absorbatorbladen.

7. Styrstav enligt patentkrav 6, kännetecknad av att (l3,l4) har en diameter (d) kanalerna i den övre delen (15) och den nedre delen (16) av väsentligen lika storlek.

8. Styrstav enligt något av patentkraven l-5, kännetecknad av att absorbatorbladen (6,7,8,9) innefattar ett flertal i förhållande till styrstaven axiellt anordnade kanaler (22,23,24) anordnat, varvid åtminstone huvuddelen av kanalerna i vilka absorbatormaterialet är (22) är anordnade, radiellt utanför en eller flera kanaler (23, 24) vilka är anordnade närmast korscentrumet (10). kännetecknad av att (10) är kortare än kanalerna (22) anordnade i den radiellt utanför (6,7,8,9).

9. Styrstav enligt patentkrav 8, kanalerna (23,24) anordnade närmast korscentrumet anordnade yttre delen av absorbatorbladen kännetecknad av mi kanalerna (23,24) anordnade närmast korscentrumet (10) kanalerna (22) anordnade i den radiellt utanför anordnade yttre delen av absorbatorbladen (6,7,8,9) har en diameter (d)

10. Styrstav enligt patentkrav 9, och av väsentligen lika storlek.

ll. Styrstav enligt något av föregående patentkrav, k ä. n n e t e c k n a d a v att absorbatormaterialet utgörs av bor och/eller hafnium.

12. Styrstav enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t: e c k n a d a v att absorbatormaterialet utgörs av borkarbid och/eller hafniummetall.