SE540751C2 - Kärnhärd och metoder för att ladda och driva en kärnhärd - Google Patents

Abstract

Härdar innefattar olika typer av styrceller i olika antal och lägen. En omkrets (130, 230)av härden just innanför den yttre omkretsen (120; 220) kan ha bränsle av högre reaktivitet i yttre styrceller, och celler med lägre reaktivitet kan vara anordnade i en inre härd (140; 240) innanför den inre ringen. Härdar kan innefatta omkring hälften nytt bränsle (110, 112; 210, 212) placerat i högre andel i den inre ringen och bort från inre styrceller.Härdar är kompatibla med ett flertal härdstyrcellssetuper, innefattande kokvattenreaktorer, ekonomiskt förenklade kokvattenreaktorer, avancerade kokvattenreaktorer etc.Härdar kan laddas under konventionella dödtider. Härdar kan drivas med styrelement i endast de inre ringstyrcellerna för reaktivitets justering. Styrelement i de yttre styrcellerna behöver endast flyttas vid sekvensändringar. Nära slutet av cykeln kan reaktiviteten i härden styras med endast de inre styrcellerna (142; 242) och styrelementen i de yttre styrcellerna (141; 241) kan vara fullt tillbakadragna.

Description

KÄRNHÄRD OCH METODER FÖR ATT LADDA OCH DRIVA EN KÄRNHÄRD BAKGRUND Fig. 1 är en illustration av flera kärnbränsleknippen 10 och härdkomponenter enligt teknikens ståndpunkt som vanligtvis påträffas i existerande kärnkraftsteknologi. Såsom visas i Fig. 1 kan en eller flera bränsleknippen 10 innehållande flera individuella bränslestavar placeras i en reaktorhärd i konventionella bränsleplaceringsstrategier. En kanal 20 kan omge bränslestavarna i varje knippe 10, vilket erbjuder en riktad kylmedium- och/eller moderatorström inom knippena 10 och/eller förenklad modifiering av knippen 10 såsom en enda fast kropp. Styrstavar eller korsformiga styrblad 60 kan sträcka sig från härdpositioner mellan knippen för att absorbera neutroner och styra reaktivitet och slutgiltigt styra reaktivitet genom grad av inskjutning eller tillbakadragning från mellan bränsleknippena 10. Bränslestöd 70 kan stödja och linjera knippen 10 vid konstanta positioner inom härden.

Fig. 2 är en kvadrantkarta av en kokvattenreaktor (BWR, Boiling Water Reactor) enligt teknikens ståndpunkt, vilken illustrerar bränsleknippenas lägen i en kvadrant av härden. Reaktorhärdar är typiskt konventionellt symmetriska kring åtminstone två vinkelräta axlar så att kvadrantkartan i fig. 2 förmedlar sammansättningen av hela härden. Såsom visas i fig. 2 upptas individuella bränsleknippslägen av nya (visat med diagonal eller korsstreckad fyllning) eller använda eller använda (visat utan fyllning) bränsleknippen vid början av en bränslecykel, innan start av effektdrift i härden. Nya knippen är knippen som inte tidigare har utsatts för neutronström under effektdrift, dvs de har inte använts, medan använda bränsleknippen har mottagit sådan utsättning, typiskt över en eller flera bränslecykler som sträcker sig 1-2 år. Som sådana har använda bränsleknippen typiskt en exponering, eller förbrukning, av flera GWd/ST.

Nya bränsleknippen kan ha olika startanrikningsgrader av klyvbart materialinnehåll. T.ex., i några BWR-konstruktioner kan yttre anrikade knippen (visat med korsstreckad fyllning) innefatta ca 4,3% uran-235-bränsle och inre anrikade knippen (visat med diagonal fyllning) kan innefatta ca 4,2% uran-235-bränsle. Varierande anrikningsgrader, såsom den visad i fig. 2, kan tillåta en plattare, radieil effektprofil i härden och/eller erhålla andra driftseffekter. Vidare kan i vissa BWR-konstruktioner knippen också ha varierande fördelningar och koncentrationer av brännbara gifter/neutronabsorberare för att undertrycka reaktivitet och optimera driftskarakteristika. Såsom visas i fig.2 innefattar vid uppstart kärnbränslehärdar enligt teknikens ståndpunkt en yttre omkretsring med använda bränsleknippen vilka omger en inre omkretsring med nya, anrikade bränsleknippen. Ett centralt område kan innefatta 50% eller fler nya bränsleknippen för att maximera innehållet av nya bränsleknippen över en jämnare fördelning, vilket tillåter längre driftscykler med kortare dödtid.

I BWR:er enligt teknikens ståndpunkt sträcker sig korsformiga styrblad 60 centralt mellan grupperingar om fyra bränsleknippen för att absorbera neutroner och styra den nukleära kedjereaktionen i härden. Såsom visas i fig. 2 identifieras grupperingarna om fyra bränsleknippen, mellan vilka styrbladen sträcker sig, med fet kontur som styrda knippen eller styrceller. Knippen inom de styrda knippesgrupperna har konventionellt en yta närmast ett styrblad som används under bränslecykeln; sådana knippen hänvisas till såsom styrda knippen och deras lägen såsom styrda lägen i styrceller om fyra knippen. Olika styrblad i olika styrceller, vanligen fyra eller fem per kvadrant, skjuts konventionellt in och dras tillbaka alternerande i olika och komplexa styrbladssekvenser för att styra reaktivitet och effektfördelning och spridningsstyrbladsanvändning över flera olika blad och nya bränsleknippen inom härden.

Såsom visas i fig. 2, för att maximera antalet nya bränsleknippen som används i en längre cykel över en jämn härdfördelning, kan flera nya bränsleknippen placeras i styrda lägen intill använda styrblad inom det inre området av härden. På grund av konventionell användning av styrblad, kan alla nya bränsleknippen i den centrala härddelen styras - vilka har direkt exponering för styrblad aktivt förflyttade för finjustering av reaktivitet - genom en hel bränslecykel. Användning av nya bränsleknippen i styrda lägen orsakar flera problem innefattande korrosion och kanalböjning som blir värre i senare cykler, och ett behov att utföra komplex och/eller lågeffektsstyrbladssekvensbyten på grund av denna placering som försämrar anläggningsekonomin. Några bränslehärdar enligt teknikens ståndpunkt har undvikit detta problem genom att använda styrcellhärdladdningsstrategi, där endast använda bränsleknippen är placerade närmast använda styrblad, vilket resulterar i att färre nya knippen används i den centrala delen av härden och kortare driftscykler.

REDOGÖRELSE Exemplifierande utföringsformer innefattar kärnhärdar med åtminstone två styrcelltyper som skiljer avseende total reaktivitet. De olika styrcelltyperna kan placeras i antal och/eller lägen för att förbättra bränsle- och härdprestandan. Exemplifierande härdar kan innefatta ett yttersta område med bränsleknippen av lägre reaktivitet, ett inre omkretsområde som kantar det yttre omkretsområdet och som har bränsleknippen av högre reaktivitet och åtminstone delar av de yttersta styrcellerna, och en inre härd som kantar det inre omkretsområdet och som har inre styrceller med endast bränsleknippen av lägre reaktivitet.

Bränsleknippena av lägre reaktivitet kan vara använda och knippena av högre reaktivitet kan vara nya, exempelvis kan de yttre styrcellerna innefatta två nya bränsleknippen och de inre styrcellerna kan innefatta endast använda bränsleknippen. Reaktivitetsskillnaderna kan emellertid också erhållas genom bränsleanrikningsvariation, närvaro av brännbart gift, etc. I ett exempel med en konventionell BWR, kan det inre omkretsområdet vara tre knippen tjock, av vilka de flesta kan vara bränsleknippen av högre reaktivitet, och det yttre omkretsområdet kan vara tre knippen tjock. I detta exempel kan det vara tretton inre styrceller.

Exemplifierande utföringsformer är inte begränsade till BWR:er eller särskilda placeringar, utan är kompatibla med varje typ av härdstyrcellsetup, innefattande styrceller bildade med styrstavar eller korsformiga styrblad som har fyra bränsleknippen placerade i varje hörn av bladen. Olika härdgeometrier kan enkelt bildas med de exemplifierande utföringsformerna, t.ex. i en ESBWR, kan det inre härdområdet ha tjugofem inre styrceller.

Exemplifierande metoder innefattar att skapa och/eller driva kärnhärdar med flertaliga typer av styrceller. T.ex. kan en härd laddas för att bilda en härd enligt en exemplifierande utföringsform. I de exemplifierande metoderna kan styrelement endast i de inre styrcellerna förflyttas för att styra härdreaktivitet, förutom vid sekvensbyten efter flera veckors eller månaders drift, såsom efter 3 GWd/ST. Vid sådant sekvensbyte, kan en enkel grov förflyttning av styrelementen in de yttre styrcellerna utföras för att återuppta styrning av dag-till-dagreaktivitet med de inre styrcellerna. Nära slutet av en cykel, när reaktiviteten är lägst, kan reaktiviteten i härden styras endast med de inre styrcellerna, och styrelementen i de yttre styrcellerna kan vara helt tillbakadragna.

Exemplifierande utföringsformer och metoder kan åstadkomma höga (approximativt 50%) nya bränslevolymer för varje cykel, vilket möjliggör längre cykler och bättre anläggningsekonomier. Exemplifierande metoder och utföringsformer åstadkommer vidare hög effektdensitet och lågt läckage genom att segregera bränsletyper genom reaktivitet i omkretsen och de inre delarna av härden.

Exemplifierande metoder och utföringsformer kan vidare möjliggöra förenklad och icke avbrytande förflyttning av styrelement i den inre härden för att fullt styra reaktiviteten utan att orsaka negativa styrelement- och bränslesamspel.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Exemplifierande utföringsformer kommer att bli mer uppenbara genom beskrivning, i detalj, av de bifogade ritningarna, på vilka samma element representeras av samma hänvisningsbeteckningar, vilka ges i endast illustrerande syfte och skall inte begränsa omfånget vilka de beskriver.

Fig. 1 är en illustration av bränsleknippen enligt teknikens ståndpunkt laddade i en härd som har korsformiga blad för styrelement.

Fig. 2 är en kvadrantkarta av en kommersiell kärnreaktorhärd enligt teknikens ståndpunkt.

Fig. 3 är en kvadrantkarta av en kärnhärd enligt en exemplifierande utföringsform.

Fig. 4 är en kvadrantkarta av annan utföringsform av en kärnhärd.

DETALJERAD BESKRIVNING Detta är ett patentdokument, och generellt breda tolkningsregler skall användas när man läser och förstår det. Allting som beskrivs och visas i detta dokument är ett exempel på patentföremål som faller inom omfånget för de bifogade patentkraven. Varje specifik strukturell och funktionell detalj som beskrivs häri är endast i beskrivande syfte avseende hur exemplifierande utföringsformer eller metoder kan bildas och användas. Flera utföringsformer som inte beskrivs häri faller inom skyddsomfånget; som sådana, kan kraven uttryckas i många alternativa former och skall inte vara begränsande avseende tolkning till endast de utföringsformer som är beskrivna häri.

Det skall förstås att, även om termerna första, andra, etc. kan användas häri för att beskriva olika element, skall dessa element inte vara begränsade av dessa termer. Dessa termer används endast för att särskilja ett element från ett annat. T.ex. kan ett första element betecknas ett andra element och på liknande sätt kan ett andra element betecknas såsom ett första element, utan att avvika från omfånget för de exemplifierande utföringsformerna. Såsom används häri skall termen "och/eller" innefatta varje och alla kombinationer av en eller flera av de förknippade uppräknade särdragen.

Det skall förstås att när ett element hänförs till såsom varande "anslutet", "kopplat", "inpassat", "fastgjort", eller "fäst" till eller vid ett annat element kan det vara direkt anslutet eller kopplat till det andra elementet eller så kan mellanliggande element vara närvarande. I motsats därtill när ett element hänförs till såsom varande "direkt anslutet" eller "direkt kopplat" till ett annat element, så finns inga mellanliggande element närvarande. Andra ord som används för att beskriva förhållandet mellan element skall tolkas på ett liknande sätt (t.ex. "mellan" versus "direkt mellan", "närliggande" versus "direkt närliggande", etc.). På liknande sätt innefattar en term såsom "kommunikativt ansluten" alla variationer av informationsutbytesvägar mellan två anordningar, innefattande mellanliggande anordningar, nätverk etc. anslutna trådlöst eller inte.

Såsom används häri är de singulära formerna "en", "ett" och "det" avsedda att innefatta både singulära och plurala former, såvida inte språket uttryckligen indikerar annorlunda med ord såsom "endast", "enda", och/eller "en". Det skall vidare förstås att termerna "innefattar", och/eller "inkluderar", när de används häri specificerar närvaron av de angivna särdragen, stegen, operationerna, elementen, idéerna och/eller komponenterna, men utesluter inte själva närvaron eller tillägg av en eller flera andra särdrag, steg, operationer, element, komponenter, idéer, och/eller grupper därav.

Det skall också noteras att strukturerna och operationerna som beskrivs nedan kan uppträda i en annan ordning än den beskrivna och/eller som visas i figurerna. T.ex. kan två operationer och/eller figurer som visas i ordning faktiskt utföras samtidigt eller kan ibland utföras i den motsatta ordningen, beroende på funktionaliteten/åtgärderna som är involverade. På liknande sätt, kan individuella operationer inom exemplifierande metoder som beskrivs här nedan utföras repetitivt, individuellt, eller sekventiellt, för att skapa återkopplade loopar eller serier av operationer förutom de enkla operationerna som beskrivs häri. Det skall antas att varje utföringsform som har särdrag och funktionalitet som beskrivs nedan, i varje utförbar kombination, faller inom skyddsomfånget för de exemplifierande utföringsformerna.

Sökandena har insett problem som existerar i flera diverse typer av kärnbränslehärdar med styrelementplacering nära vissa bränsleknippen. Särskilt har sökanden identifierat att medan en maximering av nytt bränsle inom en kärnbränslehärd vid varje början av en cykel kommer att tillåta längre cykeldriftstider och minska dödtidsintervallen, och sådan maximering kan också tvinga nya bränsleknippen att placeras direkt intill styrelement, vilka kan orsaka flera problem över bränslets livstid, innefattande korrosion, kanalbladsinterferens, och PCI (pellet cladding interaction). Sökandena har vidare insett att hanteringstekniker med styrcellshärd, där nya bränsleknippen inte placeras direkt intill styrelement, begränsar mängden nytt bränsle som kan placeras inom en härd såväl som begränsar placering av nytt bränsle i optimala positioner för effekthantering, vilket resulterar i försämrad förbrukning/effektivitet och kortare driftscykler.

Exemplifierande utföringsformer och metoder nedan adresserar dessa och andra problem som identifieras av sökandena i relaterade kärnbränslehanteringsteknologier för ett brett spektrum av kärnkraftsanläggningar.

Exemplifierande utföringsformer Exemplifierande utföringsformer av uppfinningen innefattar kärnbränslehärdar som har bränsle av högre reaktivitet i lägre proportioner intill styrelement. Bränsle av lägre reaktivitet placeras i större andel intill styrelement, medan det totala bränsleinnehållet och driftslivstiden för härden tillåts att huvudsakligen bibehållas. Exemplifierande utföringsformer bildar två eller flera typer av positioner vilka är föremål för direkt styrelementexponering - ett större antal styrda positioner av en första typ som har en högre population av använt och/eller bränsle av lägre anrikningsgrad; och ett mindre antal styrda positioner av en andra typ som har en högre population av nya och/eller bränsle av högre anrikning. Särskilda exemplifierande utföringsformer beskriver hur denna konfiguration kan erhållas för olika typer av härdkonstruktioner som diskuteras nedan, med förståelsen att specifika placeringar av olika typer av styrda lägen inom olika områden i olika exemplifierande utföringsformer kan varieras baserat på härdkonstruktionen och reaktivitetsbehovet. Det skall vidare förstås att varje särskild anläggningstyp, bränsletyp, anrikningsgrad, exponeringsnivå och/eller styrelementkonfiguration beskriven i dessa exemplifierande utföringsformer inte är begränsande utan ger endast exempel på bredden av kärnreaktorteknologier inom vilka de exemplifierande utföringsformerna kan implementeras.

Exemplifierande metoder för att bilda och använda exemplifierande utföringsformer beskrivs därefter.

Fig. 3 är en kvadrantkarta av en exemplifierande utföringsform av en bränslehärd 100; t.ex., kan fig. 3 vara en initial laddningskarta för en särskild cykel. Härden 100 kan vara användbar i existerande kokvattenreaktorer, t.ex., kan härden 100 vara användbar i liknande anläggningar såsom den relaterade bränslehärdsladdningsstrategin i fig. 2.

Såsom visas i fig. 3, kan härden 100 innefatta en typisk BWR-bränslehärdgeometri, såsom t.ex. en 17-knipperadiekvadrant.

Härden 100 enligt den exemplifierande utföringsformen kan visualiseras i tre områden: en yttre omkrets 120, en inre omkrets 130, och en inre härd 140. Den yttre omkretsen 120 kan vara upp till tre bränsleknippen tjock från en kant av reaktorns härd och innefattar mest använda bränslestavar 111 (ej fyllda). Använda bränslestavar 111 är knippen som har upplevt en förbrukning i tidigare driftscykler eller har på annat sätt exponerats för neutronflöde eller har signifikant lägre reaktivitet än nya bränsleknippen.

Den inre omkretsen 130 kan vara upp till tre bränsleknippen tjock och innefattar en större andel nya bränsleknippen 110 av högre anrikningsgrad (korsstreckad fyllning). Den inre härden 140 innefattar återstoden av härden inom den inre periferin 130 och innefattar en blandning av nya bränsleknippen 112 av lägre anrikningsgrad (diagonal fyllning) och använda bränsleknippen 111. Nya bränsleknippen 110 och 112 kan ha liten eller ingen tidigare neutronströmsexponering jämfört med använda bränsleknippen 111. T.ex. kan nya bränsleknippen 110 och 112 vara nytillverkade knippen tidigare oanvända i härddrift. Nya bränsleknippen 110 av högre anrikningsgrad och nya bränsleknippen 112 av lägre anrikningsgrad kan skilja i anrikningsgrad av klyvbart material i varje utsträckning som krävs för härddrift 100 och optimering. T.ex. kan de nya bränslestavarna 110 av högre anrikningsgrad innehålla 4,3% uran-235-bränsle och de nya bränsleknippena 112 av lägre anrikningsgrad kan innefatta approximativt 4,2% uran-235-bränsle. Bränsleknippen 110 och 112 kan vart och ett också ha olika fördelningar och koncentrationer av brännbar absorberare.

I andra exemplifierande utföringsformer kan använda bränsleknippen 111, nya bränsleknippen 110 av högre anrikningsgrad och nya bränsleknippen 112 av lägre anrikningsgrad utbytas mot bränsleknippen som har samma ålder men varierande initial anrikningsgrad och brännbar absorberarkoncentration för att erhålla samma reaktivitetsskillnader som mellan knippena 110, 111 och 112 i den exemplifierande utföringsformen av härden 100. På liknande sätt kan reaktivitetsskillnader erhållas genom att använda knippen av samma initiala anrikningsgrad men som har tre olika driftsexponeringsnivåer, såsom nya, använda i en cykel eller använda i två cykler i stället för bränsleknippena 110 av högre anrikningsgrad, de nya bränsleknippena 112 av lägre anrikningsgrad och de använda bränsleknippena 111. Vidare kan reaktivitets- och anrikningsgradskillnader mellan alla nya bränsleknippen 110 och 112 vara icke existerande eller minimalt såsom där en enda typ av bränsle och anrikningsgrad används genom en hel exemplifierande härd som har endast olika åldrade bränsleknippen.

Om man jämför fig. 2 och 3 kan man se att härden 100 enligt den exemplifierande utföringsformen innefattar fler nya bränsleknippen i det inre omkretsområdet 130 och följer inte ett strikt schackbrädesmönster för nya och använda bränsleknippen i den inre härden 140. På detta sätt kan härden 100 enligt den exemplifierande utföringsformen innefatta huvudsakligen samma andel nya bränsleknippen 110 och 112 och/eller klyvbar massa och reaktivitet såsom härdar enligt teknikens ståndpunkt laddade för en maximal driftscykellängd. I stället för ett strikt schackbrädesalternerande mellan använda bränsleknippen 111 och nya bränsleknippen 112 av lägre anrikningsgrad i den inre härden 140, innefattar härden 100 enligt den exemplifierande utföringsformen några grupperingar av bränsleknippen som innefattar fler använda knippen 111.

Såsom kan ses i fig. 3, kan fyra använda bränsleknippen 111 grupperas kring ett styrblad för att bilda en prioritetsstyrcell 142 som innefattar färre nya bränsleknippen än icke-prioritetsstyrceller 141. T.ex. såsom visas i fig. 3 kan prioritetsstyrceller 142, visade med heldragen svart linje som omger bränslelägena som så styrs, innefatta endast använda bränsleknippen 111.

Prioritetsstyrcellerna 142 kan vara de innersta styrcellerna inom det inre området 140. Icke-prioritetsstyrceller 141, visade med streckad svart linje omgivande bränsleknippeslägena som så styrs kan innefatta en blandning av använda bränsleknippen 111 och nya knippen 112 liknande härden enligt teknikens ståndpunkt i fig. 1 och kan vara belägen närmare eller i den inre omkretsen 130, utanför prioritetsstyrcellerna 142.

Fig. 4 är en kvadrantkarta av en bränslehärd 200 enligt en exemplifierande utföringsform; t.ex. kan fig. 4 vara en initial laddningskarta för en särskild cykel. Härden 200 i exemplet i fig. 4 kan vara användbar i en ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor). Såsom visas i fig. 4 kan härden 200 innefatta en typisk ESBWR-bränslehärdgeometri, såsom en 19-knipperadiekvadrant.

Härden 200 enligt den exemplifierande utföringsformen kan visualiseras i tre områden: en yttre omkrets 220, en inre omkrets 230, och en inre härd 240. Den yttre omkretsen 220 kan vara upp till tre bränsleknippen tjock från en kant av reaktorns härd och innefatta flest en gång använda bränsleknippen 213 (streckad fyllning) och två gånger använda bränsleknippen 211 (ingen fyllning). Använda bränsleknippen 211 och 213 är knippen som har upplevt förbrukning i tidigare driftscykler eller på annat sätt har utsatts för neutronström eller har signifikant lägre reaktivitet än nya bränslestavar. T.ex. kan en gång använda bränsleknippen 213 har omkring 15-23 GWd/ST exponering från en enda tvåårig driftscykel i kända ESBWR-härdar och två gånger använda bränsleknippen 211 kan ha fler använda, såsom 35-40 GWd/ST exponering.

Den inre omkretsen 230 kan vara en till tre bränsleknippen tjock och kan innefatta en större andel av nya bränsleknippen 210 av högra anrikningsgrad (korsstreckad fyllning). Den inre härden 240 innefattar återstoden av härden inom den inre omkretsen 230 och innefattar en blandning av huvudsakligen nya bränsleknippen 212 av lägre anrikningsgrad (diagonal fyllning) och en gång använda bränsleknippen 213. Nya bränsleknippena 210 och 212 kan ha liten eller ingen tidigare neutronströmsexponering jämfört med använda bränsleknippen 211 och 213. T.ex. kan nya bränsleknippen 210 och 212 vara nytillverkade knippen tidigare oanvända i härddrift. Nya bränsleknippen 210 av högre anrikningsgrad och nya bränsleknippen 212 av lägre anrikningsgrad kan skilja i klyvbart material anrikningsgrad medelst vilken grad som krävs för drift och optimering av härden 200. T.ex. kan nya bränsleknippen 210 av högre anrikningsgrad innehålla 4,3 % uran-235-bränsle och nya bränsleknippen 212 av lägre anrikningsgrad kan innehålla approximativt 4,2% uran-235-bränsle. Bränsleknippen 210 och 212 kan vart och ett av olika fördelningar och koncentrationer av brännbar absorberare också.

I andra exemplifierande utföringsformer kan två gånger använda bränsleknippen 211, en gång använda bränsleknippen 213, nya bränsleknippen 210 av högra anrikningsgrad och nya bränsleknippen 212 av lägre anrikningsgrad bytas ut mot bränsleknippen som har samma ålder men varierande initial anrikningsgrad och brännbar absorberarkoncentration för att erhålla samma reaktivitetsskillnader som mellan knippena 210, 211, 212 och 213 i härden 200 i den exemplifierande utföringsformen. På liknande sätt kan reaktivitetsskillnaderna erhållas genom att använda knippen av samma initiala anrikningsgrad men som har tre olika driftsexponeringsnivåer, såsom nya, använda en gång, eller använda två gånger i stället för de nya bränsleknippena 210 av högre anrikningsgrad, de nya bränsleknippena 212 av lägre anrikningsgrad och de använda bränsleknippena 211 och 213. Vidare kan reaktivitets- och anrikningsgradsskillnaderna mellan nya bränsleknippen 210 och 212 vara icke-existerande eller minimal så att där en enda bränsletyp och anrikningsgrad används genom hela härden har olika åldrade bränsleknippen.

Härden 200 enligt den exemplifierande utföringsformen kan innefatta huvudsakligen samma mängd nya bränsleknippen 210 och 212 och/eller klyvbar massa såsom ESBWR-härd enligt teknikens ståndpunkt laddad för maximal driftscykellängd. Härden 200 enligt den exemplifierande utföringsformen innefattar vissa grupperingar av bränsleknippen som innefattar fler använda knippen 211 och/eller 213. Såsom kan ses i fig. 4 kan fyra en gång använda bränsleknippen 213 grupperas omkring ett styrblad för att bilda en prioritetscell 242 som innefattar mindre nya bränsleknippen och mindre reaktivitet än icke-prioritetsstyrceller 241. T.ex. såsom visas i fig. 4 kan prioritetsstyrceller 242, visade med heldragen svart linje omkring knippeslägen som så styrs, innefatta endast en gång använda bränsleknippen 213. Prioritetsstyrceller 242 kan vara de innersta styrcellerna inom det inre området 240. Icke-prioritetsstyrcellerna 241, visade med streckad svart linje omgivande knippeslägena så styrda, kan innefatta en blandning av använda bränsleknippen 211 och 213 och nya knippen 112 och kan vara placerade närmare eller i den inre omkretsen 230.

Härdar enligt exemplifierande utföringsformer är användbara med bränslesammansättningar som beskrivs i vår samägda ansökning 12/843,037 inlämnad den 25 juli 2010 och betitlad "OPTIMIZED FUEL ASSEMBLY CHANNELS AND METHODS OF CREATING THE SAME", vilken härigenom innefattas häri i dess helhet genom denna referens. T.ex. kan bränsleknippen som skall placeras i styrda positioner i härdar enligt exemplifierande utföringsformer använda kanaler med Zircaloy-4 för att ytterligare skydda mot skuggkorrosion.

Andra exemplifierande utföringsformshärdar kan vara användbara i avancerade kokvattenreaktorer, andra lätta och tunga vattenreaktorer, eller varje kärnreaktor som har kärnkedjereaktionsstyrstrukturer som sträcker sig in i härden som är användbar för att styra reaktivitet, med modifieringar av storlek och initiala anrikningsgrader gjorda för den särskilda typen av härd och styrelementplacering.

Exemplifierande metoder Exemplifierande metoder innefattar att ladda och/eller driva kärnhärdar. Exemplifierande metoder kan dra särskild fördel av kärnhärdar som laddas såsom beskrivits ovan i de exemplifierande utföringsformerna, men det skall förstås att exemplifierande metoder och utföringsformer kan användas separat.

Under en driftsdödtid eller annan tid när härden är tillgänglig för laddning, kan en operatör eller annan part ladda en härd för att erhålla laddningsmönster som är konsistenta med de beskrivna i de ovan exemplifierande utföringsformerna, t.ex. kan existerande bränsleknippen flyttas till oanvända bränslelägen baserade på deras ålder, anrikningsgrad, och/eller reaktivitet. Sådan förflyttning kan öppna ett antal positioner runt en inre omkrets och icke-primära styrda lägen inom den inre härden. Ett önskat antal äldsta eller minst funktionella bränsleknippen kan förflyttas från härden. Nya bränsleknippen kan hämtas och installeras på platser som är tomma på grund av det flyttade bränslet baserat på anrikningsgrad eller andra parametrar. Sådan förflyttning kan skapa en bränslehärd som liknar de exemplifierande utföringsformerna beskrivna ovan eller relaterade utföringsformer.

Under drift av en härd, kan styrelement användas för att styra kärnkedjereaktionen. T.ex. i BWR:er enligt teknikens ståndpunkt kan ett korsformigt styrblad sträcka sig mellan fyra intilliggande knippen i en styrcell för att styra reaktivitet. Exemplifierande metoder innefattar att använda endast styrelementen direkt intill bränsleknippen som har relativt låg reaktivitet och/eller som har tidigare använts och är inte helt nya, dag-till-dag-reaktivitetsstyrning inom en härd. I exemplifierande metoder är styrelementen direkt intill nya eller bränsleknippen av högre reaktivitet relativt stationära och används endast för grova reaktivitetsjusteringar vid några få ställpunkter under bränslecykeln; dessa styrelement kan helt och hållet flyttas från härden - dvs. icke användas över huvud taget för reaktivitetsstyrning - under den senare delen av cykeln.

Såsom en specifik exemplifierande metod i anslutning till den exemplifierande utföringsformen i fig. 4, kan en operatör eller annan part ladda en ESBWR-härd 200 för att skapa prioritetsstyrceller 242 innefattande endast använt bränsle förknippat med styrbladen i ett centralt område av den inre härden 240 av härden 200. Icke-prioritetsstyrceller 241 innefattande några nya och/eller bränsleknippen av hög reaktivitet skapas vid styrbladslägen närmare eller i det inre omkretsområdet 230, utanför prioritetsstyrcellerna 242. Under sekvensbytesintervall som uppträder vid approximativt varje 3 GWd/ST av drift, t.ex., kan styrbladen i en ickeprioritetscell 241 förflyttas till ett önskad grovt reaktivitetsstyrläge. Annars, krävs det inte att styrbladen i icke-prioritetsceller 241 förflyttas för reaktivitetsstyrning, och styrbladen endast i prioritetsstyrceller 242 kan förflyttas för finare reaktivitetsstyrning under sekvensen. Under den sista fjärdedelen av driften, vid omkring 15 GWd/ST-cykelgenomsnittsexponering, t.ex., kan styrbladen i ickeprioritetsceller 241 fullt dras tillbaka och är inte nödvändiga för reaktivitetsstyrning. Vid alla punkter under cykeln kan styrbladen associerade med prioritetsceller 242 fritt förflyttas för att utföra finjusteringar av härdreaktiviteten. Under den sista cykelfjärdedelen, kan styrbladen i endast prioritetsceller 242 användas för att styra härdreaktiviteten; dvs. styrbladen i prioritetsceller 242 kan vara de enda bladen inom härden 200 efter omkring 15 GWd/ST.

Exemplifierande utföringsformer och/eller metoder kan åstadkomma bränslehärdar i existerande och framtida designade reaktorer med tillräckligt höga återladdningsstorlekar av nytt bränsle för att skapa längre driftscykler av högre effektdensiteter, medan problem associerade med placering av nya eller bränsle av högre reaktivitet direkt intill styrelementen minskas eller elimineras. Placering av nytt bränsle i större antal omkring en inre omkrets av härden och i ett begränsat anta styrda lägen kan åstadkomma en lågläckagehärd som har flera inre styrda lägen som inte innefattar nytt eller bränsle av högre reaktivitet. På detta sätt kan skuggkorrosion, PCI (pellet cladding interaction) och resulterande kanaldistortioner och negativ styrelementkanalssamspel reduceras genom att undvika placering av de nyaste och/eller bränsleknippena av högsta reaktivitet närmast de aktiva styrelementen. Förutom längre driftscykelkompabilitet, kan högre effektdensitet, lägre läckage, och reducerad kanaldistortion, exemplifierande utföringsformer och/eller metoder tillåta kärnbränslehärdar att drivas med förenklade styrelementmanövrar; särskilt, kan exemplifierande utföringsformer och metoder tillåta endast en deluppsättning av styrelementen att användas för omedelbar, fin reaktivitetsstyrning och reducera ett antal totala styrelementsekvenser och byten genom hela driftscykeln och/eller reducera varje behov av lägre effekt under sådana komplicerade byten. Dessa och andra fördelar och lösningar till de nya identifierade härddriftsproblemen adresseras av olika exemplifierande utföringsformer och metoder beskrivna ovan.

Exemplifierande utföringsformer och metoder som beskrivits ovan kan, skall det inses av en fackman inom området, varieras och bytas ut genom rutinexperiment medan de fortfarande faller inom skyddsomfånget för de bifogade patentkraven. T.ex. kan ett antal olika kärnbränsletyper och härddesigner vara kompatibla med exemplifierande utföringsformer och metoder helt enkelt genom laddnings- och driftsstrategi - och utan någon härdgeometri eller strukturella ändringar - och faller inom skyddsomfånget för kraven. Sådana variationer skall inte betraktas som en avvikelse från skyddsomfånget för dessa krav.

Claims (20)

PATENTKRAV

1. Kärnhärd (100; 200) innefattande: ett yttre omkretsområde (120; 220) som sträcker sig från en kant av härden mot ett centrum av härden som är anordnad med använda bränsleknippen (111; 211, 213), ett inre omkretsområde (130; 230) som sträcker sig från det yttre omkretsområdet mot centrumet av härden, ett inre härdområde (140; 240) som sträcker sig från det inre omkretsområdet mot centrumet av härden, ett flertal styrceller innefattande endast bränsleknippen direkt exponerade för förflyttningsbara reaktivitetsstyrelement, flertalet styrceller inkluderande ett flertal styrceller av en första typ (141; 241) och ett flertal styrceller av en andra typ (142; 242), varvid styrcellerna av den första typen har en kombinerad reaktivitet högre än en kombinerad reaktivitet hos den andra typen av styrcell, varvid nämnda flertal styrceller av den första typen är yttre styrceller som laddats närmare eller i det inre omkretsområde, varvid nämnda flertal styrceller av den andra typen är inre styrceller i det inre härdområdet, som laddats närmare centrumet för härden än nämnda flertal styrceller av den första typen, och varvid det finns fler styrceller av den andra typen än styrceller av den första typen i härden.

2. Kärnhärd enligt krav 1, varvid varje bränsleknippe av den andra typen av styrcell är använd, och varvid åtminstone ett bränsleknippe av den första typen av styrcell är nytt.

3. Kärnhärd enligt krav 1, varvid det inre omkretsområdet (130; 230) är tre bränsleknippen tjockt och innefattar en majoritet av nya bränsleknippen (110, 112; 210, 212).

4. Kärnhärd enligt krav 3, varvid det yttre omkretsområdet (120; 220) är tre bränsleknippen tjockt och varvid det inre omkretsområdet (130; 230) innefattar bränsleknippen med den högsta reaktiviteten i härden.

5. Kärnhärd enligt krav 1, varvid de förflyttningsbara reaktivitetsstyrelementen är korsformiga styrblad och varvid den första typen av styrcell och den andra typen av styrcell innefattar endast fyra bränsleknippen positionerade i varje hörn av de korsformiga styrbladen.

6. Kärnhärd enligt krav 1, varvid härden är en kokvattenreaktorhärd, och varvid härden innefattar åtminstone tretton styrceller av den andra typen.

7. Kärnhärd enligt krav 6, varvid härden är en ekonomiskt förenklad kokvattenreaktorhärd och härden innefattar åtminstone tjugofem styrceller av den andra typen.

8. Kärnhärd enligt krav 6, varvid den inre omkretsen innefattar nya bränsleknippen som har högre bränsleanrikningsgrad än åtminstone ett bränsleknippe av den första typen i styrcellen.

9. Kärnhärd enligt krav 1, varvid var och en av den första typen av styrcell innefattar åtminstone två nya bränsleknippen (110, 112; 210, 212) och var och en av den andra typen av styrcell innefattar inga nya bränsleknippen.

10. Kärnhärd enligt krav 1, varvid var och en av styrceller av den andra typen har endast bränsleknippen med låg reaktivitet, och var och en av styrceller av den första typen har åtminstone två bränsleknippen var och en med högre reaktivetet än reaktivititet hos något ena av bränsleknippen av den andra typen av styrcell.

11. Metod för att ladda en kärnhärd (100; 200), varvid metoden innefattar: laddning av ett yttre omkretsområde (120; 220) som sträcker sig från en kant av härden mot ett centrum av härden med använda bränsleknippen, laddning av bränsleknippen i en första typ av styrcell (141; 241) nära eller i ett inre omkretsområde (130; 230) som sträcker sig från det yttre omkretsområdet mot centrumet av härden, och laddning av bränsleknippen i en andra typ av styrcell (142; 242) i ett inre härdområde som sträcker sig från det inre omkretsområdet mot centrumet av härden, varvid den första typen och den andra typen av styrceller inkluderar endast bränsleknippen positionerade direkt intill förflyttningsbara reaktivitetsstyrelement, varvid styrcellerna av den första typen har en kombinerad reaktivitet högre än en kombinerad reaktivitet hos styrcellerna av den andra typen av styrcell, varvid nämnda styrceller av den första typen är yttre styrceller belägna närmare eller i det inre omkretsområdet, varvid nämnda styrceller av den andra typen är inre styrceller belägna i det inre härdområdet, närmare centrumet av härden än nämnda styrceller av den första typen, och varvid det finns flera styrceller av den andra typen än styrceller av den första typen i härden.

12. Metod enligt krav 11, vidare innefattande: förflyttning av styrelement endast i den andra typen av styrcell för att styra daglig reaktivitet i härden för ett flertal driftsdagar.

13. Metod enligt krav 12, vidare innefattande: att styrelement i den första typen av styrcell tillbakadras endast efter approximativt tre GWd/ST.

14. Metod enligt krav 11, vidare innefattande: att styrelement i endast den första typen av styrcell tillbakadras fullständigt under en sista fjärdedel av driftscykeln.

15. Metod enligt krav 11, varvid laddningen av den inre omkretsen (130, 230) skapar den första typen av styrcell innefattande åtminstone två nya bränsleknippen (110, 112; 210, 212) och varvid laddningen av den inre härden (140, 240) skapar den andra typen av styrcell innefattande inga nya bränsleknippen.

16. Metod enligt krav 11, varvid laddningen av den inre omkretsen (130; 230) innefattar laddning av nya bränsleknippen (110, 112; 210, 212) i den inre omkretsen som har en högre bränsleanrikningsgrad än den åtminstone ena bränsleknippet i den första typen av styrcell.

17. Metod enligt krav 11, vidare innefattande: att approximativt hälften av bränsleknippena i härden avlägsnas före laddningarna.

18. Metod för att driva en kärnhärd (100; 200) som har åtminstone två olika typer av styrceller, med en första typ av styrcell (141; 241) som har kombinerad reaktivitet som är högre än den kombinerade reaktiviteten för den andra typen av styrcell (142; 242), och med fler styrceller av den andra typen än styrceller av den första typen, varvid metoden innefattar: förflyttning av styrelement endast i den andra typen av styrcell för att styra daglig reaktivitet i härden, varvid nämnda styrceller av den första typen är belägna i ett yttre område av härden, och varvid nämnda styrceller av den andra typen är inre styrceller belägna närmare centrumet av härden än nämnda styrceller av den första typen.

19. Metod enligt krav 18, vidare innefattande: att styrelement i den första typen av styrcell dras tillbaka endast efter approximativt tre GWd/ST.

20. Metod enligt krav 18, vidare innefattande: att styrelement endast vid den första typen styrcell tillbakadras fullständigt under en sista fjärdedel av driftscykeln.