SE540783C2 - Bränslestav med varierande axiell karakteristika - Google Patents

Description

BRANSLESTAV MED VARIERANDE AXIELL KARAKTERISTIKA BAKGRUND FIG. 1 är en tvär snittsframställning av en konventionell bränsleenhet 10 för en kärnreaktor, vilken typiskt används i kommersiella lättvattenkärnreaktorer för generering av elektricitet världen över. Flera bränsleenheter 10 är placerade nära varandra i en reaktor för att vidmakthålla en kedjekärnreaktion. En flytande moderator och/eller ett kylmedium passerar vanligen genom bränsleenheten 10 i längdriktningen (axiell t), och förstärker kedjereaktionen och/eller leder bort värme från enheten 10.

Som det visas i FIG. 1, innefattar bränsleenheten 10 ett flertal bränslestavar 14 som innehåller klyvbart material och utsträcker sig i axiell riktning inuti enheten 10. Fastän detta inte visas i FIG. 1, är bränslestavar 14 ofta placerade i en lägre förankringsplatta 16 och sträcker sig uppåt, in i en övre förankringsplatta 17 i slutet av bränsleenheten 10. Bränslesta varna 14 avgränsas av en kanal 12 som bildar en utsida av enheten 10 och vidmakthåller ett vätskeflöde i enhet 10, genom hela den axiella längden hos enhet 10. Den konventionella bränsleenheten 10 inkluderar också en eller flera konventionella bränslea vståndshållare 18 på varierande axiella positioner. Bränslespridare 18 låter bränslesta varna 14 passera genom rutnätsliknande öppningar i spridare 18, varigenom bränslestavama 14 inriktas och hålls på avstånd från varandra. En eller flera vattenstavar 19 kan också finnas för att tillhandahålla en önskad nivå för genomströmning av moderator eller kylmedium till enhet 12.

FIG. 2 är en framställning av insidan av en bränslestav 14, i relaterat tekniskt utförande. Som det visas i FIG. 2, innefattar bränslestav 14 ett eller flera bränsleelement 22, vilka är pellets eller liknande former som staplats i axiell riktning inuti ett invändigt utrymme eller hus som bildas av manteln 22 hos bränslestav 14. Bränsleelementen 22 innefattar klyvbart kärnmaterial och genererar klyvningsprodukter, vilka vanligtvis innehålls i manteln 20, som omsluter och tillhandahåller ogenomtränglig inneslutning av pelletsen 22 och de klyvningsprodukter som genereras av dessa. Bränslestav 14 kan innefatta ett parti 14a med bränsle, i vilket bränslepellets befinner sig, och ett parti 14b utan bränsle, där öppet utrymme finns för att möjliggöra att en klyvningsprodukt, vilken kan utgöras av gaser som framställts genom kärnklyvning, ackumuleras, samt för att förhindra övertryck i bränslestav 14. En nedhållningsfjäder 23 i uppsamlingsområdet 14b kan komprimera och allmänt bibehålla en position hos bränslepelletsen 22 inuti bränslestav 14. Ett tunt inre foder 21 (visat med streckade linjer) kan utsträcka sig runt en inre omkrets hos bränslestav 14 för att minska effekten av interaktion mellan pellets och mantel. Manteln 20 kan vara utformad av en hårdare och/eller starkare zirkoniumlegering eller en annan legering, det inre fodret 21 kan vara utformat av ett mjukare material och utsträcka sig i riktning inåt från en inre yta av manteln 20.

Som det visas i FIG. 2, har bränslestav 14 i den relaterade tekniska utformningen en enhetlig och konstant innermeter, dic, längs hela sin axiella längd. På samma sätt har bränslepelletsen 22 vardera en enhetlig bredd, df, längs med hela bränslestav 14, vilken bredd är mindre än dic, så att fast kontakt mellan pellets 22 och mantel 20 undviks. Bränslestav 14 har också en konstant ytterdiameter doc, så att manteln 20 har en enhetlig tjocklek längs med hela bränslestav 14. Sådan enhetlighet kan vara till hjälp vid modulär konstruktion av bränsleelement, stavar och enheter, så att olika stavar och delar därav kan användas i varierande positioner i bränsleenheter.

SAMMANFATTNING Exempel på utföringsformer innefattar kärnbränslestavar och enheter innehållande sådana, med avsiktliga variationer vad gäller bränsle och/eller mantel. Exempelvis kan bränsleelement eller en mantel som inhyser ett bränsleelement ha dimensioner avseende volym, radier och/eller tjocklek som baseras på deras axiella position i en bränslestav. Inner- och/eller ytterdiametrar eller bredd på manteln kan vara avsiktligt varierade längs en axiell position hos en bränslestav enligt ett exempel på utföringsform, från så litet som ett par och upp till flera hundra tusendelars tum (en: mil), det vill säga upp till 100*2,54*10<-5>m, och även mer än fördubbla konventionella eller existerande dimensioner. Bränsledimensioner kan också utökas eller reduceras proportionellt med mantelns innerdiameter vid bränslets axiella position, så att två bränsleelement med olika axiella positioner kan ha samma axiella längd, men olika volymer och bränslemassor. Ändringar vad gäller manteln och/eller bränslet görs på bas av förhållandena vid en specifik axiell position, vilket kan innefatta både partier med bränsle och partier utan bränsle, som innehåller ackumulerade klyvningsgaser. Ändringar i manteltjocklek, bränslestavens bredd, proportionerna hos mantelns inneroch/eller ytterdiameter, invändig volym som definieras av manteln, förekomst av ett invändigt foder på manteln, bränslets form eller storlek etc. kan väljas och implementeras i vilken kombination som önskas och med vilka som helst andra ändringar vad gäller bränslet under tillverkningen eller genom modifieringar efter tillverkningen, såsom sintring, ablation, etsning, upprymning, polering etc. Variationer kan användas för att uppnå önskade bränsleegenskaper och responser, exempelvis genom variationer i bränsletillgång, tryckfall, skydd mot övertryck etc. Bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer kan i övrigt vara kompatibla med existerande bränsletyper och kan utformas axiellt på bas av sin radiella position, innefattande aktuell eller avsedd placering i en bränsleenhet och/eller en reaktorkärna, eller aktuell eller avsedd placering av en inneslutande bränsleenhet i en reaktorkärna. De kan exempelvis vara utformade för att placeras i och utsträcka sig mellan övre och nedre förankringsplattor i en bränsleenhet med spridare och en kanal.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Exempel på utföringsformer kommer att framstå tydligare genom beskrivning i detalj av de bifogade ritningarna, varvid likadana element representeras av likadana referensnummer, och vilka enbart visas i illustrationssyfte och därför inte begränsar de enheter de avbildar.

FIG. 1 är en framställning i tvärsnitt av en kärnbränsleenhet enligt relaterad teknik. FIG. 2 är en framställning av det inre hos en bränslestav enligt relaterad teknik.

FIG. 3 är en framställning av ett exempel på utföringsform av en bränslestav.

FIG. 4 är en framställning av ett exempel på utföringsform av en bränslestav.

DETALJERAD BESKRIVNING Detta är ett patentdokument och generella, breda konstruktionsregler skall hållas i åtanke vid läsning och förståelse av detsamma. Allt som beskrivs och visas i detta dokument är ett exempel på innehåll som faller inom ramen för de bifogade patentkraven. Specifika strukturell och funktionella detaljer som offentliggöra häri är enbart till för syftet att beskriva hur dessa exempel på utföringsformer tillverkas och används. Flera olika utföringsformer som inte specifikt presenteras häri faller inom ramen för patentkraven; patentkraven kan i sig själva förverkligas genom många olika alternativa former och skall inte anses som begränsade till enbart de exempel på utföringsformer som presenteras i detta dokument.

Det bör stå klart att, fastän termerna första, andra etc. kan användas i detta dokument för att beskriva olika element, skall dessa element inte anses begränsade av dessa termer. Dessa termer används enbart för att särskilja ett element från ett annat.

Exempelvis skulle ett första element kunna kallas för ett andra element, och på samma sätt skulle ett andra element kunna kallas för ett första element, utan att man avviker från omfattningen av exemplen på utföringsformer. Som den används häri, innefattar termen "och/eller" vilka som helst och alla kombinationer av en eller flera av de associerade listade punkterna.

Det bör förstås att ett element som refereras till som "anslutet," "kopplat," "förbundet", "fäst", eller "fixerat" till eller med ett annat, endera kan vara direkt anslutet eller kopplat till det andra elementet, eller det kan förekomma mellanliggande element. I motsats till detta finns inga mellanliggande element, när ett element refereras till som "direkt anslutet" eller "direkt kopplat" till ett annat element. Andra ord som används för att beskriva förhållandet mellan element skall tolkas på samma sätt (t.ex. "mellan" jämfört med "direkt mellan", "intill" jämfört med "direkt intill" etc.). På samma sätt skall en term som "kommunikativt anslutet/ansluten" inkludera alla variationer av vägar för informationsutbyte mellan två anordningar, inklusive intermediära anordningar, nätverk etc., vare sig de är trådlöst kopplade eller ej.

Som det används häri är singularformerna "en", "ett" och "den", "det" avsedda att innefatta både singular- och pluralformema, om inte språket uttryckligen indikerar något annat med ord som "enda", "enskild" och/eller "en", "ett". Det bör vidare stå klart att termerna "innefattar", "innefattande", "inkluderar" och/eller "inkluderande", när de används i detta dokument anger förekomsten av de nämnda egenskaperna, stegen, arbetsmomenten, elementen, idéerna och/eller komponenterna, men inte i sig själva utesluter förekomsten eller tillägget av en eller flera andra egenskaper, steg, arbetsmoment, element, komponenter, idéer och/eller grupper därav.

Det bör också noteras att de strukturer och arbetsmoment som diskuteras nedan kan förekomma utanför den ordning som beskrivs och/eller anges i figurerna. Till exempel kan två arbetsmoment och/eller figurer som presenteras efter varandra i själva verket utföras samtidigt eller de kan ibland utföras i omvänd ordning, beroende på den funktion/de skeenden som ingår. På samma sätt kan enskilda arbetsmoment i exempelförfarandena som beskrivs nedan utföras repetitivt, individuellt eller i sekvens, för att tillhandahålla slingor eller andra serier av arbetsmoment vid sidan av de enskilda arbetsmoment som beskrivs nedan. Det skall förutsättas att varje utföringsform som har egenskaper och funktioner som beskrivs nedan - i vilken som helst användbar kombination - faller in om ramen för exemplen på utföringsformerna.

De sökande har förstått att kärnbränslestavar utsätts för neutroniska och termiskthydrauliska förhållanden som kan variera avsevärt med den axiella positionen i en kärnreaktor i drift. Enhetliga egenskaper hos bränslestavar kan inte dra fördel av, och/eller kan minska bränsleeffektiviteten vid, vissa axiella förhållanden som avviker från genomsnittliga eller allmänna förhållanden längs med hela stavens längd.

Mantelns tjocklek, bränsleelementens form och/eller bränslestavens form kräver kanske inte enhetlighet och kan anpassas individuellt för att optimera bränsleeffektiviteten på bas av förväntade förhållanden vid skilda axiella positioner. De sökande har förstått att vilket som helst av bränsle-, mantel- och stavegenskaper kan varieras vid speciella axiella längder, baserat på radiell placering inuti enheten, kärnan eller beroende på andra parametrar för att till exempel förbättra bränslestavarnas effektivitet, inklusive säkerhetsmarginaler, bränslemassa och förväntad livslängd och/eller energiproduktionens effektivitet. Exemplen på utföringsformer som beskrivs nedan vänder sig till dessa och andra problem, vilka förståtts av de sökande, med unika lösningar som möjliggörs av exemplen på utföringsformer.

Den föreliggande uppfinningen är en bränslestav som kan användas för att generera kärnenergi, med kärnbränsle inneslutet i en mantel, och/eller bränsleenheter som använder sådana bränslestavar. Den föreliggande uppfinningen innefattar bränslestavar med en mantel som avsiktligt varierats vid olika axiella positioner och/eller bränsleenheter som avsiktligt varierats vid olika axiella positioner. Som begreppet används här, definieras "avsiktligt varierats" så att det utesluter defekter som oundvikligen uppkommer som en del av tillverkningsförloppet eller genom skador, liksom oavsiktliga ändringar som uppkommer genom drift, och avslutningar som krävs för att skapa en invändig volym. Därigenom inkluderar "avsiktligt varierats" variationer som utförts under tillverkningen eller i form av ändringar därefter, och som är av en sådan meningsfull och avsevärd karaktär att de med avsikt åstadkommer olika responser hos bränslestavarna. Som begreppet används här, definieras "axiell" som det längsta måttet hos en hel bränslestav eller bränsleenhet, ofta i en vertikal riktning under drift.

FIG. 3 är en tvärsnittsframställning av ett exempel på utföringsform av en bränslestav 114. Som det visas i FIG. 3, kan bränslestaven 114 innefatta flera egenskaper som är likadana som hos konventionella bränslestavar och den kan användas i flera olika typer av bränsleenheter i stället för konventionella bränslestavar. Bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform innefattar en mantel 120 som inhyser och innesluter bränsleelementen 122, vilka exempelvis kan vara cylindriska pellets, pulver, prismaformade solida kroppar etc., och vilka tillhandahåller klyvningsmaterial för generering av kärnkraft. Bränslestav 114 kan vidare innefatta en nedhållningsfjäder 123 eller någon annan stabiliseringsanordning i någon annan position för att säkra bränsleelementen 122 i manteln 120.

Som det visas i FIG. 3, har bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform varierande axiell utformning. Exempelvis kan en första zon 114a identifieras som en axiell zon som kommer att exponeras för driftförhållanden i en kärnreaktor, såsom ändrad fas hos moderatorn eller exponering för varierande styrelement, vilka med större sannolikhet kommer att orsaka olämplig interaktion mellan bränsleelementen 122 och manteln 120 eller som medför större sannolikhet för att utsättas för skada eller slitage såsom rivning eller punktering orsakad spridaren. Den första zonen 114a kan till exempel utgöras av övre, axiella två tredjedelarna av ett parti med bränsle hos bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform. Baserat på identifiering av förväntade förhållanden i den första zonen 114a, kan manteln 120 och/eller bränsleelementen 122a vara utformade på ett sådant sätt att de på bästa sätt är anpassade till dessa förhållanden. Exempelvis kan manteln 120 inkludera en maximal eller konventionell tjocklek mellan ytterdiametem doc1 och innerdiametern dic1 för att reducera effekterna av interaktion mellan bränslepellets och mantel, och felfunktion. Bränsleelementen 122a som anordnats i den första axiella zonen 114a kan ha en minimal eller konventionell bredd df1 för att vara anpassade till mantelns innerdiameter dic1 och utökad manteltjocklek.

En andra axiell zon 114c, kan identifieras som en axiell zon som kommer att utsättas för andra driftförhållanden på bas av sin position, såsom exempelvis mindre risk för skada på manteln, interaktion mellan bränsle och mantel och/eller utnyttjande av ett större bränsleförråd. Den andra zonen 114c kan till exempel vara en axiell nedre tredjedel av ett parti med bränsle hos bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform. På bas av identifieringen av förväntade förhållanden i den andra zonen 114c, kan manteln 120 och/eller bränsleelementen 122b utformas så att de på bästa sätt är anpassade till dessa förhållanden. Till exempel kan manteln 120 inkludera en mindre tjocklek mellan ytterdiametem docl och innerdiametern dic3 genom att det inre fodret 121 avlägsnas, om ett sådant finns, och/eller genom tunnare mantel i den andra axiella zonen 114c vid tillverkningen eller exempelvis genom senare invändig ablation. Bränsleelementen 122b som anordnats i den andra axiella zonen 114c kan ha en utökad bredd df2 för att utnyttja den större invändiga volymen som tillhandahålla genom en större innerdiameter dic3 hos manteln och minskad manteltjocklek. Exempelvis kan - jämfört med vissa typer av konventionella lättvattensbränslestavar - dic3 utökas med ungefär 7 till 14 tusendels tum, 7*2,54*10<-5>till 14*2,54*10<-5>m, i förhållande till dic1, med proportionell ökning av df2. Naturligtvis kan andra utökningar användas i exemplen på utföringsformer.

Genom att variera parametrarna för manteln och/eller bränslet mellan de axiella zonerna 114a och 114c på bas av förväntade driftförhållanden på deras respektive positioner - både axiella och radiella - kan säkerhetsmarginalerna och/eller driftgränserna bibehållas, medan bränslevolym, neutronisk respons och termodynamiska parametrar kan optimeras. Om till exempel den andra axiella zonen 114c i den nedre tredjedelen av bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform och mantelns innerdiameter dic3 i den andra axiella zonen 114c ökas med proportionell ökning av bränslevolymen, har de sökande beräknat att fler kilogram av klyvbart uran kan inkluderas i en typisk BWR-bränsleenhet vid användning av bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform, medan andra säkerhets- och driftparametrar bibehålls, jämfört med användning av en stav som använder en enda utformning för alla axiella positioner.

Bränslestav 144 enligt exemplet på utföringsform kan inkludera ytterligare axiella variationer. Till exempel kan en tredje axiell zon 114b identifieras som en axiell zon som kommer att exponeras för olikartade driftförhållanden på bas av sin position, som exempelvis mindre risk för skador på manteln, interaktion mellan bränsle och mantel och/eller en position som utnyttjar utökad volym. Den tredje zonen 114b kan till exempel vara ett parti utan bränsle hos bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform, där klyvningsprodukter som gaser ackumuleras. Baserat på identifieringen av förväntade förhållanden i den tredje zonen 114b, kan manteln 120 vara utformad för att på bästa sätt vara anpassad till dessa förhållanden. Till exempel kan manteln 120 inkludera en mindre tjocklek mellan ytterdiametem doc2 och innerdiametern dic2 genom att det invändiga fodret 121 avlägsnas, om ett sådant finns, genom tunnare mantel i den tredje axiella zonen 114b vid tillverkningen eller till exempel genom senare formbearbetning. Mantelns ytterdiameter doc2 kan exempelvis öka i takt med den axiella höjden, och mantelns innerdiameter dic2 kan ökas ännu starkare i takt med den axiella höjden, vilket resulterar i en mantel 120 som blir allt tunnare ju större den axiella höjden blir. Till exempel kan - jämfört med vissa typer av konventionella lättvattensbränslestavar - en tjocklek på manteln 120 mellan dic2 och doc2 minskas med ungefär 3,5 till 7 tusendels tum, 3,5*2.54*10<-5>till 7*2,54*10<-5>m, i den tredje axiella zonen 114b. Naturligtvis kan flera andra minskningar användas i exemplen på utföringsformer.

Genom att variera mantelns parametrar mellan de axiella zonerna 114a och 114b på bas av förväntade driftförhållanden på deras respektive positioner - både axiella och radiella - kan säkerhetsmarginaler och/eller driftgränser optimeras. Om till exempel den tredje axiella zonen 114b i en övre position i ett uppsamlingsparti utan bränsle hos bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform innefattar förtunnad mantel, kommer uppsamlingsvolymen att ökas, vilket tillåter ett ökat innehåll av klyvningsgas och/eller minskar stavens inre tryck. De sökande har beräknat att detta tillåter en ökning av de termiskt-mekaniska driftgränserna och energiproduktionens effektivitet, medan säkerhet och driftgränser bibehålls, jämfört med en stav som använder en enda utformning i alla axiella positioner.

Fastän bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform har beskrivits med tre särskilda axiella zoner 114a, b, och c med olikartad mantel och/eller bränsleutformning i varje, baserat på förväntade driftförhållanden i dessa zoner, skall det stå klart att vilket som helst antal av olika zoner och mantel- och/eller bränslevariationer kan användas i bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform. Exempel på utföringsformer av bränslestavar kan exempelvis innefatta olika partier utan bränsle och olika positioner, olika bränsleanrikningar och/eller olika termiskt-mekaniska mantelegenskaper och/eller neutroniska egenskaper vid olika axiella positioner. Sådana ändringar kan utföras eller definieras baserat på förväntade axiella reaktorförhållanden under livscykeln för en bränsleenhet som innehåller bränslestavar enligt exemplet på utföringsform.

FIG. 4 är en framställning av bränslestav 214 enligt ett annat exempel på utföringsform, vilken kan användas i kärnreaktorer; bränslestav 214 kan inkludera flera konventionella egenskaper, som en nedhållningsfjäder 223, mantel 220, inre foder 221, om ett sådant finns och/eller bränsleelement 222. Bränslestav 214 enligt exemplet på utföringsform kan inkludera en första zon 214a som kommer att exponeras för driftförhållanden där bränsletillgången inte skall öka och/eller där manteln 220 skall ha en maximal eller konventionell tjocklek av säkerhets- eller driftskäl. Den första zonen 214a kan till exempel utgöras av de axiella övre två tredjedelarna av ett parti med bränsle av bränslestaven 214 enligt exemplet på utföringsform. På bas av identifieringen av förväntade förhållanden i den första zonen 214a, kan manteln 220 och/eller bränsleelementen 222 utformas så att de på bästa sätt är anpassade till dessa förhållanden. Till exempel kan manteln 220 inkludera en maximal eller konventionell tjocklek mellan ytterdiametern doc1 och innerdiametern dic1 för att reducera effekten av interaktion mellan bränslepellets och mantel, och felfunktion. Bränsleelementen 222 i hela bränslestav 214 enligt exemplet på utföringsform kan ha en standardiserad bredd df1 Andra axiella zoner 214b och 214c kan identifieras som zoner vilka kommer att exponeras för andra driftförhållanden på grund av sin position, som mindre risk för skada på manteln, interaktion mellan bränsle och mantel och/eller de kan exempelvis utnyttja större volymer av moderator och/eller ett mindre tryckfall. Zon 214c kan till exempel vara en del av ett parti med bränsle i bränslestav 214 enligt exemplet på utföringsform, medan zon 214b kan vara ett axiellt parti utan bränsle. Baserat på identifieringen av förväntade förhållanden i zonerna 214c och 214b, kan manteln 220 utformas så att den på bästa sätt är anpassad till dessa förhållanden. Exempelvis kan manteln 220 tunnas ut i den axiella zonen 214b. Ytterdiametem doc2 kan minskas i 214c medan innerdiametern dic1 och bränsleelementets bredd df1 hålls enhetliga, genom att manteln i den axiella zonen 214c exempelvis förtunnas under tillverkningen eller genom senare yttre etsning. På samma sätt kan mantelns ytterdiameter doc3 minska i takt med den axiella höjden in 214b, och innerdiametern dic2 kan öka. Exempelvis kan doc3 och/eller doc2 minskas med ungefär 7 till 14 tusendels tum, 7*2,54*10<-5>till 14*2,54*10<-5>m, i förhållande till doc1 Naturligtvis kan andra minskningar användas i exemplen på utföringsformer.

Genom att variera mantelns dimensioner och bränslestavens ytterdiameter mellan de axiella zonerna 214a, b, och c på bas av förväntade driftförhållanden vid deras respektive positioner - både axiella och radiella - kan säkerhetsmarginaler och/eller driftgränser optimeras. Exempelvis kan de axiella zonerna 214b och 214c tillhandahålla ett mindre tryckfall för ett kylmedium/moderator i vätskeform, vilken strömmar axiellt längs med bränslestav 214 och/eller ge bättre moderering, ge förbättrad hydrodynamisk prestanda och anläggningseffektivitet.

Fastän bränslesta varna 114 och 214 enligt exemplen på utföringsformer i FIG. 3 och 4 har beskrivits med särskilda kombinationer av axiella egenskaper, bör det stå klart att vilken som helst enskild egenskap kan föreligga i exemplen på utföringsformer och att andra kombinationer kan föreligga i ett exempel på utföringsform av bränslestav med vilket som helst antal axiella zoner. En ingenjör som exempelvis önskar använda bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer, med en konstant ytterdiameter som passar ihop med mantelns ytterdiameter hos konventionella bränslestavar, så att bränslestavar enligt exemplet på utföringsform kan ersätta konventionella bränslestavar, kan implementera enbart variationen från zon 114c i FIG. 3 för användning i önskade axiella positioner. På detta sätt kan ytterdiametern doc1 förbli konstant längs med en hel bränslestav enligt exemplet på utföringsform och imitera konventionella bränslestavars geometri, samtidigt som den tillhandahåller optimeringsfördelar genom ökad innerdiameter och bränslemassa. Eller, en bränsletillverkare som till exempel önskar använda bränsleelement i en enda storlek för produktionskompatibilitet och modulenhetliget kan använda bränslestav 214 enligt exemplet på utföringsform från FIG. 4, med en enda, enhetlig utformning av bränsleelementen 222, medan hydrodynamiska och andra fördelar tillhandahålls genom minskning av ytterdiametern vid specifika axiella positioner.

Vidare kan en distributör av kärnbränsle tillämpa vilka som helst eller alla modifieringar över flera olika axiella zoner och för olika positioner i bränsleenheten för att åstadkomma önskad respons från bränslestavama. Exempelvis kan en mindre ytteroch innerdiameter dic2/doc3 från zon 214b i bränslestav 214 enligt exemplet på utföringsform användas i en nedre, uppsamlingsposition utan bränsle, en större innerdiameter och bränslebredd dic3/df2 från zon 114c i bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform kan användas i flera axiella positioner där större bränsletillgång önskas, baserat på bränsleenhetens eller reaktorkärnans parametrar, en mindre ytterdiameter doc2 från zon 214c i bränslestav 214 enligt exemplet på utföringsform kan användas i en högre zon där ett lägre tryckfall och större moderatorvolym önskas, och större ytter- och innerdiameter dic2/doc2 från zon 114b i bränslestav 114 enligt exemplet på utföringsform kan användas i ett avslutande uppsamlingsområde utan bränsle för att tillhandahålla större inhysning av klyvningsprodukter. Vidare kan ingenjören blanda egenskaper inom samma zon, mantelns innerdiameter kan ökas och mantelns ytterdiameter kan minskas samtidigt för en särskild zon, och kombinera ett mindre tryckfall och en större bränslevolym i denna zon.

Bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer kan användas i olika reaktorvarianter och typer av bränsleenheter. Bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer kan utformas för att användas i enheterna 10 i FIG. 1 och ersätta konventionella stavar 14 i bränsleenheter. Enskilda bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer inkluderar axiella variationer baserade på förväntade reaktordriftförhållanden och en passande respons på dessa. Flera bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer i en enhet kan alltså ha axiella egenskaper som utformats på bas av förväntad placering av stavknippen liksom av varandras effekter på driftförhållandena. På detta sätt medger bränslestavar enligt exemplen på utföringsformer att en kärnkonstruktör i högre grad kan finjustera kärnans respons och driftegenskaper och potentiellt att åstadkomma förbättrad bränsleanvändning, bränslelivslängd, drift- och säkerhetsmarginaler och/eller förbättrad anläggningseffektivitet.

Vad gäller exempel på utföringsformer och förfaranden som har beskrivits, kommer det att stå klart för en person skicklig inom området att exempel på utföringsformer kan varieras och ersättas genom rutinmässigt experimenterande, som fortfarande faller inom ramen för de följande patentkraven. Till exempel, fastän vissa exempel på utföringsformer har beskrivits med enbart områden utan bränsle i den axiella positionen högst upp och med modullära bränslestrukturer, bör man förstå att bränslestavar enligt exemplen på utföringsformen kan innefatta vilken som helst kombination av zoner med bränsle och zoner utan bränsle, liksom olika typer, former och anrikningar för bränsleelement. Vidare står klart att exempel på utföringsformer och förfaranden kan användas i samband med vilken som helst typ av bränsle och reaktor där bränslestavar används, inklusive BWR- och PWR-reaktorer, reaktorer med tungt vatten, snabbspektrum, grafitmoderering etc. Alla värden för mantlar och bränslestorlekar som anges ovan är exempel och begränsar på inget sätt de oberoende patentkraven. Sådana variationer skall inte ses som ett avsteg från omfattningen av de följande patentkraven.

Claims (10)

Patentkrav

1. Bränslestav (114) för användning i en kärnbränsleenhet (10), varvid bränslestaven innefattar: ett kärnbränsleelement (122) och en mantel (120) som har en första axiell zon (114a), en andra axiell zon (114c) och en tredje axiell zon (114b), varvid varje axiell zon (114a, 114c, 114b) har en innerdiameter (dic1, dic3, dic2) och en ytterdiameter (doc1, doc2), varvid den första axiella zonen (114a) och den andra axiella zonen (114c) definierar ett inre utrymme i vilket kärnbränsleelementet (122) innehålls, varvid den tredje axiella zonen (114b) definierar ett inre utrymme utan bränsle i vilket klyvningsprodukter kan ackumuleras, varvid manteln (120) utsträcker sig i en axiell riktning vinkelrät mot innerdiametrarna (dic1, dic3), varvid ytterdiametem (docl) är konstant samma längs den första axiella zonen (114a) och den andra axiella zonen (114c), varvid manteln (120) innefattar ett inre foder (121) som är avlägsnat längs den andra axiella zonen (114c), eller är tunnare i den andra axiella zonen (114c), varigenom den andra axiella zonens (114c) inre diameter (dic3) är större än den första axiella zonens innerdiameter (dic1),kännetecknad av att den tredje axiella zonens (114b) innerdiameter (dic2) och ytterdiameter (doc2) ökar i takt med den axiella höjden.

2. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid kärnbränsleelementet (122) inkluderar en första bränslepellet (122a) och en andra bränslepellet (122b) som staplats axiellt i det inre utrymmet definierat av den första axiella zonen (114a) och den andra axiella zonen (114c), varvid den första (122a) och den andra bränslepelleten (122b) är cylindriska och har olika diametrar baserat på mantelns (120) innerdiameter.

3. Bränslestav (114) enligt krav 2, varvid den första (122a) och den andra bränslepelleten (122b) har en olikartad volym.

4. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid manteln (120) är cylindrisk.

5. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid innerdiametern är större i den tredje axiella zonen (114b) utan bränsle än i den första eller andra axiella zonen (114a, b) med bränsle.

6. Bränslestav (114) enligt krav 5, varvid manteln (120) är cylindrisk och ytterdiametem är större i den tredje zonen (114b) utan bränsle än i den första och den andra zonen (114a, b) med bränsle och den tredje axiella zonen (114b) utan bränsle befinner sig i en avslutande axiell position där bränslestaven (114) har utformats för fästning i en förankringsplatta.

7. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid innerdiametern avsiktligt varierar beroende på en radieil position hos bränslestaven (114) i en kärnbränsleenehet (10) och i en reaktorkärna.

8. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid mantelns (120) tjocklek i den första axiella zonen (114a) är större än mantelns (120) tjocklek i den andra axiella zonen (114c).

9. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid den första axiella zonen (114a) är belägen mellan den andra axiella zonen (114c) och den tredje axiella zonen (114b).

10. Bränslestav (114) enligt krav 1, varvid mantelns (120) innerdiameter i den tredje axiella zonen (114b) ökar ännu starkare än mantelns (120) ytterdiameter i den tredje axiella zonen (114b).