SE527796C2 - Förfarande för drift av en reaktor hos en nukleär anläggning - Google Patents

Description

oense 527 796 sekundär degradering och utvecklandet av en större sekundär- skada.

Då en primärskada 'har utvecklats finns en kommunikationsväg mellan stavens inre utrymme och reaktorns 'kylvatten. Detta in- nebär att vatten och ånga kommer att tränga in i bränslestavens inre utrymme tills stavens interna tryck är detsamma som reak- torns systemtryck. Under detta förlopp oxiderar kapslingens in- sida och bränslekutsen under frigörande av väte från vattenmo- lekylerna i kylvattnet. Detta leder i sin tur till att man på avstånd från primärskadan kan erhålla en miljö med ett mycket högt par- tialtryck väte; ett fenomen som kallas ”oxygen starvation" eller ”steam starvation". l en sådan miljö tenderar kapslingens insida att mycket snabbt absorbera väte, så kallad hydrering, vilket är en grundläggande materialegenskap hos zirkonium och zirkoni- umbaserade legeringar. Detta leder till en lokalt mycket hög vä- tekoncentration i kapslingen, vilket i sin tur kraftigt försämrar kapslingens mekaniska egenskaper. Kapslingen blir mycket spröd och detta kan på grund av självinducerade spänningar el- ler på grund av yttre belastning ge upphov till sprickinducering, spricktillväxt och utvecklandet av en sekundär brånsleskada.

Under normal drift av reaktorn vid l princip full effekt kan, såsom framgår ovan, en primärskada uppstå i någon bränslestav. Man kan då anta att den skadade bränslestaven har en medelbelast- ning på exempelvis 20 kW/m, ett visst kuts-kapslingsgap, t.ex. på 5-20 pm, och' ett internt tryck på exempelvis 5-100 bar. Det interna trycket i bränslestavar för kokvattenreaktorer ligger un- der drift i den nedre delen av intervallet medan det interna trycket i bränslestavar för tryckvattenreaktorer under drift kan ligga i den övre delen av intervallet. Då primärskadan uppstår kommer tryckskillnaden mellan bränslestavens interna tryck och systemtrycket att försvinna, dvs. bränslestavens interna tryck kommer att bli detsamma som systemtrycket. Systemtrycket i en kokvattenreaktor är i typiska fall cirka 70 bar medan system- trycket i en tryckvattenreaktor i typiska fall är cirka 150 bar. Dä 527 796 detta sker kommer fyllgasen, som normalt i huvudsak består av helium samt från bränslekutsarna avgivna fissionsgaser, att för- flyttas mot bränslestavens båda ändar medan ånga fylls på tills bränslestavens interna tryck är detsamma som systemtrycket.

Innan bestrålningen påbörjas består bränslestavens fyllgas nor- malt i huvudsak av helium och bränslestavens interna tryck är vid rumstemperatur typiskt 1-40 bar. Det interna trycket i bräns- lestavar för kokvattenreaktorer ligger typiskt i den nedre delen av intervallet medan det interna trycket i bränslestavar för tryck- vattenreaktorer normalt ligger i den övre delen av intervallet.

Såsom nämns ovan kommer ångan under detta förlopp att rea- gera med kapsllngen och bränslekutsarna under frigörande av väte från de vattenmolekyler som reagerar med kapsllngen eller bränslekutsarna. Detta innebär att ett område med mycket högt partialtryck av väte kan erhållas på avstånd från primärskadan.

Man kan således tänka sig att man mycket snart efter det att primärskadan uppstår har ett område med fyllgas vid var och en av bränslestavens ändar. De fria volymer som finns i direkt an- slutning till ändarna kan initialt innehålla väsentligen ren vätgas, blandad med ädelgaser men fri från vattenånga. Det är i dessa områden, där partialtrycket av väte direkt efter primärskadan är mycket högt, som risken för sekundär degradering är hög. Om partialtrycket av väte sjunker och partialtrycket av vattenånga ökar kommer det lokala massiva väteupptaget att minska och väteupptaget kan ske mer homogent över kapslingsväggens in- sida, vilket minskar risken för lokal sekundär degradering.

US-A-5,537,450 visar en anordning för att detektera om en bränsleskada föreligger. Anordningen är inrättad att detektera bränsleskador under reaktorns drift genom att en del av avga- serna från reaktorn leds via en gammaspektrograf som kontinu- erligt mäter nuklidsammansättningen och aktivitetsnivån i avga- serna. Det är också känt att lokalisera en bränsleskada med en metod som "kallas för “flux-tilting“, vilken innebär att styrstavarna regleras en i taget så att effekten ändras lokalt i härden samti- digtsom aktivitetsnivån i avgaserna mätes. En ökning av aktivi- 0 90000 o c . ; | n o a I no annu: ' ' ' . . . o o en tetsnivån i avgaserna kan noteras vid styrstavsrörelser i närhe- ten av bränsleskadan. På så vis kan bränsleskadan lokaliseras.

Detta förfarande är tidskrävande och under tiden som lokalise- ringen pågår reduceras reaktorns effekt till mellan 60 och 80% av full effekt.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att motverka degra- dering av en eventuell primärskada och således minska risken för en sekundärskada under en fortsatt drift av reaktorn.

Detta ändamål uppnås med det förfarande som definieras i pa- tentkravet 1.

Genom att reaktorn, »då en primärskada har detekterats, under det speciella tillståndet åtminstone tidvis drivs med en reduce- rad effekt kommer kärnreaktionen i bränslet att minska och där- med sjunker temperaturen i bränslekutsarna, vilket minskar bränslekutsarnas termiska expansion. På så sätt ökar den fria volymen i bränslestavens inre utrymme. Det innebär att ytterli- gare ånga kommer att tränga in i bränslestavens inre utrymme för vidmakthållande av tryckutjämningen mellan bränslestavens inre utrymme och systemtrycket. Dessutom kommer reaktions- hastigheterna för oxidationen av kapslingen och bränslekutsarna liksom för hydreringen av kapslingen att sjunka då Areaktoref- fekten sänks och bfränsletemperaturen minskar. “I ' Då den skadade bränslestaven under den angivna tidsrymden har en väsentligt lägre bränslekutstemperatur och en väsentligt större fri volym i det inre utrymmet kommer gaserna, dvs. fyllga- sen, bildade fissionsgaser, vätgas och ånga, att blandas genom diffusion. Diffusion sker naturligtvis även vid högre kutstempe- ratur men då kan oxidations- och hydreringshastigheterna vara så snabba att diffusionen får en underordnad betydelse jämfört 0 donna c 527 796 med de gasrörelser som uppkommer på grund av tryckskillna- derna mellan bränslestavens olika delar.

Föreliggande uppfinning ligger således i att få gasblandningen via diffusion att bli den dominerande mekanismen genom att konsumtionen av syre och väte i bränslestaven sänks kraftigt.

Under dessa förhållanden kan vi alltså erhålla en gasblandning i det inre utrymmet under det att hydreringen är relativt långsam.

Då en god blandning av väte och vattenmolekyler har erhållits i bränslestavens inre utrymme kommer väteupptaget vid fortsatt drift att ske mer homogent längs hela bränslestaven och man kan undvika att erhålla en zon av kapslingen som har påtagligt degraderade mekaniska egenskaper till följd av en kraftig lokal hydrering.

Den homogena vätefördelningen gör bränslestaven betydligt mindre känslig för sprickinducering, spricktillväxt och utvecklan- det av en sekundärskada. Därmed leder den begränsade tids- rymden under vilken reaktorn drivs med åtminstone tidvis redu- cerad effekt till att sannolikheten mycket påtagligt ökar för att reaktorn med samma uppsättning bränslestavar därefter ska kunna drivas fram till nästa planerade normala revisionsavställ- ning utan någon extra avställning för att ta ut skadat bränsle och utan att kräva att styrstavar skjuts in för att lokalt minska effek- ten i den region av härden där den skadade bränslestaven be- finner sig. Detta förfarande kan således erbjuda en avsevärd u ekonomisk fördel jämfört med de åtgärder som normalt används idag.

Enligt en vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen àstadkoms nämnda reducering av effekten genom inskjutning av åtminstone några av nämnda styrstavar till respektive position i härden. En sådan effektreducering kan ske mycket snabbt och leda till en snabb sänkning av bränslekutsarnas temperatur, vil- ket minskar deras volym och således ökar' den fria volymen i den skadade bränslestavens inre utrymme. o u n n o Q o v ou ø o u o n ø - 0 o v o u n nu a Enligt en vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen är väsentligen alla styrstavar åtminstone tidvis inskjutna till re- spektive position i härden under det speciella tillståndet, varvid en speciellt påtaglig effektreducering erhålls.

Enligt en vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen åstadkoms nämnda reducering av effekten genom successiv in- skjutning av olika grupper av nämnda styrstavar till respektive position i härden, varvid varje sådan grupp definierar var sin specifik del av härden. Det speciella tillståndet kan således ock- så etableras för olika delar av härden i omgångar. Enskilda styr- stavar eller grupper av styrstavar kan då användas för effektre- duceringen. Detta medger identifiering av den skadade bränsle- stavens position och begränsar den nödvändiga effektreducer- ingen.

Enligt en' vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen görs nämnda reducering av effekten åtminstone inom 72h, före- trädesvis inom 48h och mer företrädesvis inom 24h efter detek- teringen av en skada. Med fördel görs reduceringen av effekten väsentligen omedelbart efter detekteringen av en skada. Det är fördelaktigt om effektreduceringen sker snabbt så att den efter- strävade blandningen i det inre utrymmet uppnås så snart som möjligt efter att en skada har inträffat.

Enligt en vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen drivs reaktorn med den reducerade effekten under hela tidsrym- den. Med fördel kan väsentligen alla styrstavar vara inskjutna till respektive position i härden under hela tidsrymden.

Enligt en vidareutveckling av förfarandet innefattar det speciella tillståndet att åtminstone nâgra av styrstavarna omväxlande skjuts intill och dras ut från respektive position för åstadkom- mande av en omväxlande ökning och. minskning av effekten. a 01:00 o o ø n v n o n o O nu Q o o n o | | I 0 o I o a o n o ø ao Detta kan vara fördelaktigt när positionen för den skadade bränslestaven har identifierats.

Enligt en vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen in- nefattar nämnda övervakning kontinuerlig övervakning under re- aktorns drift. Därvid kan med fördel övervakningen innefatta av- känning av närvaro av en eller flera fissionsgaser i ett avgasflö- de från reaktorn.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning skall nu förklaras närmare med hjälp av ett utförande som visas såsom ett exempel och med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig 1 visar schematiskt en nukleär anläggning och Fig 2 visar schematiskt ett längsgående snitt genom en bränslestav.

DETALJERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRINGSFORMER Fig 1 visar en nukleär anläggning som innefattar en reaktor 1, en utmatningsledning 2 från reaktorn 1, en utnyttjandeanordning 3 och en återmatningsledning 4 från utnyttjandeanordningen 3 tillbaka till reaktorn 1. Reaktorn 1 kan vara en kokvattenreaktor, BWR, eller en tryckvattenreaktor, PWR. l det visade exemplet hänvisas till en kokvattenreaktor även om uppfinningen är till- lämplig också på en tryckvattenreaktor, Reaktorn 1 innesluter en härd med ett flertal bränsleelement 7 och ett antal styrstavar 8. Varje bränsleelement 7 innefattar ett flertal bränslestavar 9, se Fig 2, som var och en innefattar en kapsling 10 och kärnbränsle i form av en stapel med bränslekut- sar 11 som är inneslutna i ett inre utrymme 12 bildat av kaps- lingen 10. Eftersom bränslekutsarna 11 inte upptar hela det inre utrymmet 12 bildas en fri volym i kapslingens 10 inre utrymme 12. Storleken pà den fria volymen varierar med bränslekutsar- 527 796 nas 11 temperatur och således med bränslekutsarnas 11 termis- ka expansion.

Var och en av styrstavarna 8 är inskjutbar till och utdragbar från var sin position mellan respektive bränsleelement 7 i härden med hjälp av drivdon 13. Styrstavarna 8 kan utnyttjas för att pà- verka eller reglera reaktorns 1 effekt. När styrstavarna 8 är ut- dragna fortgår den nukleära kedjereaktionen och när styrstavar- na 8 är inskjutna avstannar den nukleära kedjereaktionen åtmin- stone i närheten av de inskjutna styrstavarna 8. Under normal drift av reaktorn är de flesta styrstavar 8 utdragna, jämför Fig 1.

I en kokvattenreaktor kommer under normal drift ånga att produ- ceras av det kylvatten som cirkulerar i anläggningen. Ångan leds genom utmatnlngsledningen 2 till utnyttjandeanordningen 3 som kan innefatta en ångturbin och en kondensor, ej specifikt visade.

Från kondensorn leds det kondenserade kylvattnet tillbaka till reaktorn 1 via'àtermatningsledningen 4. Anläggningen innefattar också ett arrangemang för att fånga upp och leda bort avgaser som produceras i reaktorn 1. Detta arrangemang innefattar an avgasledning 15. l avgasledningen 15 kan en sensor 16 vara anordnad. Sensorn 16 är inrättad att detektera nukleär aktivitet och nuklider som bildas vid reaktionen i bränslestavarna 9. Om en skada uppstår på en kapsling 10 kommer fissiongaser att läcka ut och ledas ut genom avgasledningen 15. Dessa flssions- gaser innehåller sådana radioaktiva nuklider som kan detekteras och ge väsentligen omedelbar information om att en primärska- da har uppstått.

Enligt ett utförande kan reaktorn 1 drivas med en normal effekt, dvs. vanligen full effekt, under ett normalt tillstànd. Under denna normala drift övervakas reaktorn 1 exempelvis kontinuerligt med hjälp av sensorn 16 för detektering av en eventuell skada på kapsllngen 10 hos någon av bränslestavarna 9 i härden. Den eventuella skadan kan vara en primärskada som exempelvis har orsakats av mekanisk nötning. Skadan indikeras i Fig 2 vid 20. 527 796 Om en sådan skada 20 detekteras reduceras reaktorns 1. 'Ef- fektreduceringggörs åtminstone inom 72h, företrädesvis inom 48 eller merföreträdesvis inom 24h efter detekteringen av skadan . Med fördel kan görs effektreduceringen så snart som möjligt, exempelvis väsentligen omedelbart efter detekteringen av ska- dan 20. Denna effektreducering åstadkoms genom inskjutning av väsentligen alla styrstavar 8 med hjälp av drivdonen 13, var- vid kärnreaktionen bromsas och därmed sjunker effekten och temperaturen hos bränslekutsarna 11 i bränslestavarna 9. Ge- nom denna åtgärd uppnås en så kallad varmavställning som in- nebär att kårnreaktionen väsentligen upphör men att system- trycket i reaktorn 1 och kylvattnets temperatur i reaktorn 1 i allt väsentligt upprätthålls.

Reaktorn 1 drivs sedan vidare med styrstavarna 8 inskjutna un- der ett speciellt tillstånd som varar en begränsad tidsrymd. Den- na begränsade tidsrymd kan vara olika lång beroende' på en mängd olika faktorer såsom reaktorns 1 storlek, hur många styr- stavar 8 som har skjutits in etc. Under denna tidsrymd är effek- ten således väsentligt reducerad í förhållande till den normala fulla effekten. Tidsrymden skall vara åtminstone så lång att bränslekutsarnas 11 temperatur sjunker väsentligt. Den begrän- sade tidsrymden kan exempelvis vara från delar av en timme eller några timmar till 1, 2, 3 eller 4 dagar. Exempelvis kan den begränsade tidsrymden vara åtminstone 10, 20, 30, 40 eller 50 'mi-nuter, eller 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 14, 20 eller flera timmar.

Den begränsade tidsrymden kan vara maximalt 4, 3, 2 eller 1 dagar.

Med en sådan effektreducering kommer bränslekutsarnas 11 termiska expansion att minska och den fria volymen i den ska- dade bränslestavens 9 inre utrymme 12 att öka. Denna volym- ökning medför att ytterligare ånga kommer att tränga in i det inre utrymmet 12 så att tryckutjämningen mellan det inre utrymmet 12 och systemtrycket upprätthålls. Vidare medför den lägre tem- 527 796 peraturen hos bränslekutsarna 11 att reaktionshastigheterna för oxidationen av kapslingen 10 och bränslekutsarna 11 liksom för hydreringen av kapslingen 10 sjunker. Den lägre bränslekuts- temperaturen och den större fria volymen medför vidare att ga- serna, dvs. fyllgasen, fissionsgaser, vätgas och ånga, i det inre utrymmet 12 kommer att blandas genom diffusion. Tack vare en sådan blandning av väte och vattenmolekyler i det inre utrymmet 12 kommer väteupptaget vid fortsatt drift att ske mer homogent längs hela bränslestaven 9 och inte koncentrerat vid en mindre lokal zon hos kapslingen 10. väsentligen omedelbart efter denna tidsrymd, när utjämningen har skett, kan de inskjutna styrstavarna 8 åter dras ut för fortsatt drift av reaktorn 1 vid väsentligen full effekt och med samma uppsättning bränslestavar 8, dvs. den skadade bränslestaven 8 kan behållas i härden till nästa planerade avställning för bräns- Iebyte.

Det skall noteras att det kan vara möjligt att under den angivna tidsrymden skjuta in endast en del av styrstavarna 8 till respek- tive position. Det speciella tillståndet kan också etableras för delar av härden i omgångar, varvid nämnda reducering av ef- fekten åstadkoms genom successiv inskjutning av olika grupper av nämnda styrstavar till respektive position i härden. Varje så- dan grupp definierar då med fördel var sin specifik del av här- den. Man kan även tänka sig att skjuta in mer än hälften av styr- stavarna 8 för att erhålla en effektreducering som påverkar en större fraktion av reaktorns bränsleelement.

Enligt en variant av förfarandet det speciella tillståndet innefat- tar att åtminstone nägra eller väsentligen alla styrstavar 8 om- växlande skjuts in till och dras ut från respektive position för åstadkommande av en omväxlande ökning och minskning av effekten. På så vis kommer bränslekutsarnas 11 temperatur och termiska expansion också att omväxlande öka och minska, vilket 527 796 o u o n n o c Q 0 0 c I n ø o o o o o o 0 a - . n o n u 11 innebär att omblandningen av gaserna i det inre utrymmet på- skyndas.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utförandena utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

I oøøln

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 527 796 12* Patentkrav

1. Förfarande för drift av en reaktor hos en nukleär anlägg- ning i vilken reaktorn innesluter en härd med ett flertal bränsle- element och ett antal styrstavar, varvid varje bränsleelement innefattar ett flertal bränslestavar som var och en innefattar en kapsling och kärnbränsle som är inneslutet i ett inre utrymme bildat av kapslingen, varvid var och en av styrstavarna är inskjutbar till och utdragba- ra från var sin position mellan respektive bränsleelement i här- den i syfte att påverka reaktorns effekt, varvid förfarandet innefattar följande steg: drift av reaktorn med en normal effekt under ett normalt tillstànd, övervakning av reaktorn för detektering av en skada på kaps- lingen hos någon av bränslestavarna, reducering av reaktorns effekt efter detektering av en sådan skada, varvid nämnda reducering av effekten åstadkoms genom inskjutning av åtminstone nâgra av nämnda styrstavar till re- spektive position i härden, drift av reaktorn under ett speciellt tillstånd under en begränsad tidsrymd under vilken reaktorn åtminstone tidvis drivs med den reducerade effekten i förhållande till den normala effekten, och utdragning av nämnda inskjutna styrstavar efter nämnda tids- rymd för fortsatt drift av reaktorn vid väsentligen det normala tillståndet.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid väsentligen alla styrstavar är åtminstone tidvis inskjutna till respektive position i härden under det speciella tillståndet.

3. Förfarande enligt något av kraven 1 och 2, varvid nämnda reducering av effekten åstadkoms genom successiv inskjutning av olika grupper av nämnda styrstavar till respektive position i härden, varvid varje sådan grupp definierar var sin specifik del av härden. 10 15 20 25 30 35 527 796

4. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid nämnda reducering av effekten görs åtminstone inom 72h efter detekteringen av en skada.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 till 4, varvid nämnda reducering av effekten görs åtminstone inom 48h efter detekte- ringen av en skada.

6. Förfarande enligt något av kraven 1 tiil 4, varvid nämnda reducering av effekten görs åtminstone inom 27h efter detekte- ringen av en skada.

7. Förfarande enligt något av kraven 1 till 4, varvid nämnda reducering av effekten görs väsentligen omedelbart efter detek- teringen av en skada.

8. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid reaktorn drivs med den reducerade effekten under hela tidsrym- den.

9. Förfarande enligt krav 8, varvid väsentligen alla styrstavar är inskjutna till respektive position i härden under hela tidsrym- den.

10. Förfarande enligt något av kraven 1 till 7, varvid det speci- ella tillståndet innefattar att åtminstone några av styrstavarna omväxlande skjuts in till och dras ut från respektive position för åstadkommande av en omväxlande ökning och minskning av effekten.

11. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid nämnda övervakning innefattar kontinuerlig övervakning under reaktorns drift.

12. Förfarande enligt krav 9, varvid övervakningen innefattar avkänning av radioaktiv aktivitet i ett gasflöde från reaktorn.