SE455904B - Kernbrensleelement for anvendning i kernkraftreaktorer - Google Patents

Description

455 904 É ', brittiska patent).

Förtätningeproblemet, som gjorde sig bemirkt under det ti- diga ejuttiotalet erbjuder emellertid ej lingre nagot licensie- ringsproblem för kârnbräneleinduetrin. Redan i mitten av sjuttio- talet kunde detta problem löeae pa annat sätt, eaeom genom lämplig kontroll av sintringsproceseen för kutsarna.

PCI/SCC-ekadeproblemet väntar emellertid fortfarande pa fortsatta framsteg i syfte att finna en pålitlig, icke dyrbar lös- ning som även uppfyller senare ställda krav pa bränslefunktions- egenskaperna, exempelvis betingad av bränelets exponering till högre utbränning. Hittills har reaktoroperatörerna föredragit att kringgå PCI/SCC-driftproblemet genom att enbart följa konservativa driftsregler. Detta sätt kan emellertid bli dyrbart pa grund av att det begränsar möjligheten till flexibel reaktordrift. Dessutom är det ej palitligt som skydd mot-PCI/SCC-skada.

För närvarande är idén med användning av rent zirkonium som "infodring" kommersiellt intressant som PCI/SCC-botemedel. Den tillater flexibel reaktordrift men innebär höga framställninge- kostnader, och airkoniuminfodringen kan korrodera i alltför stor utsträckning när den exponeras för vatten av hög temperatur i ska- dat bränsle. Dessutom beaktar detta PCI-botemedel ej problemet med fissionsgasfrigöring (PGR) vid medelhög eller hög utbränning. Dess användning kan tvärtom t.o.m. befrämja alltför hög FGR eftersom den lockar med fördelen ur driftsynpunkt att den är okänslig för PCI/SCC-skada i högtemperaturomradet där just PGR äger rum.

I tungvattenreaktorer fungerar en grafitbeläggning av bräns- lekapslingens insida tillfredsställande som PCI/SCC-botemedel upp till ca IOMWD/kg U. Vid de höga exponeringar som är typiska för LWR uppvisar emellertid grafitbeläggningen mycket otillfredsstäl- lande uppträdande. I övrigt är tekniken med grafitbeläggning mycket attraktiv, eftersom den är ganska enkel och billig.

Konstruktionen med bommar på kapslingen enligt föreliggande uppfinning har befunnits väsentligt förhöja rssistensen mot PCI/SCC-skada, vid vissa kombinationer av konstruktioneparametrar.

Föreliggande uppfinning baserar sig pa resultaten och ana- lysen av fortsatta bestràlningsprogram där olika modifikationer av den ursprungliga konstruktionen med invändiga kapslingsbommar, såsom avslöjas i brittiska patentet 1 454 618, utprovats. Ända- in »D "4ßS 904 3 -~mAlet har varit att ytterligare utveckla detta brinelekoncept, da man insett att det har en unik potential för att löea på senare tiden framkomna problem beträffande bränslete tunktioneegenekaper.

Som ett reeultat har aetadkommite en ännu effektivare, billig och tekniskt enkel konetruktionelöaning till ovannämnda PCI/SCC-skade- problem. Jömeides härmed erbjuder samma konetruktibn lösningar; vilka är unika för bomförsedd kapsling, till ett antal ytter- ligare, potentiellt livalängdabegräneande funktioneproblem, vilka f.n. är av eärskilt intreaee i eträvan att uppnå högre bräneleut- bränningenivaer. I grunden härrör alla deeaa funktionsproblem fran ett och'eamma fenomen, nämligen den alltför etora frigöringen av fieeioneproduktgaeer och andra flyktiga element fran de heta brän- elekutearna vid driften vid hög temperatur ()l000°C), eaeom xenon, krypton, jod, kadmium etc.

Fiseionegaeerna (FG) eom ger upphov till en mångfald funk- tioneproblem, är kända för att frigöras väsentligt först över en vise bräneletemperaturniva. Denna nivå ejunker nagra 100°C med stigande bräneleutbranning och kan komma att överekridae under drift och härvid lättare vid högre utbränning, exempelvis vid en effektetegring. Jod och kadmium aneee vara de aktiva korroeiva ämnena i mekaniemen för PCI/SCC-skada. Xenon och krypton är tunga ädelgaeer med mycket lag värmeledningsförmaga, vilka vid frigöring kontaminerar den högledande heliumfyllgaeen i bräneleetaven. Som en följd härav föreämrae värmeledningen i bränalestaven, vilket medför att temperaturen stiger i bränelekutsarna. Om denna tem- peraturetegring överskrider den kritiska temperaturen för FGR fri- göres en ytterligare kvantitet av innehallna FG i kuteetrukturen.

Detta medför ytterligare temperaturetegring och ännu mera FG-fri- göring etc., dvs en "temperature feed back mechanism" (temperatur- aterkopplingemekaniem) föreligger. Stegringen till höga tempera- turer och kvantiteten frigjorda fieeionegaeer blir potentiellt livelängdebegräneande. Den högre bräneletemperaturen (resulterande i större lagrad energi i bränslet) och frigöringen av stora kvan- titeter fieeionegaeer kan medföra eäkerheteproblem, exempelvis vid olyckor med förlust av kylmedium (LOCA) och ge upphov till ett otillàtet högt internt gaetryck före uppnadd elututbränning.

Den termieka feed back-effekten uppträder ibland redan vid medelhöga utbränningsnivàer i LWR-bräneleetavar, eäg vid ca 15-20 ' 4-55 904 i , ' .l :i Mwd/kg U, vilket medför att vissa bränslestavar uppvisar höga FGR- värden, typiskt över ca 10% av det ackumulerade innehållet i brän- sle för kokarvattenreaktorer (BWR>. Endast ett begränsat antal av sadana höga PER-stavar i rsaktorkärnan kan vanligen tolsreras med hänsyn till en LOCA. Skälen_för uppkomsten av förhöjd FGR kan vara flera: en oavsiktlig sffekttransient, förekomsten av termiskt in- stabila bränslskutsar eller införlivandet av alltför stora mon- teringsspel kuts/kapsling, etc. När processen väl satt igang har den en tendens att'spontant sprida sig fran kute till kuts längs hela bränslestapeln med åtföljande successiv försämring av värme- ledningsförmagan genom de migrerande fissionsgaserna.

En väsentlig bidragande faktor till den termieka feed back- effekten är att värmeledningsförmagan endast langsamt ateretälls i gasen vid stället för FGR inne i bränslestaven. Speciellt under betingelser vid bräneledriften, da heliumfyllgasen i toppkammaren (plenum) av bränslekolonnen (se fig. 1 i nämnda brittiska patent), maste vandra relativt lange sträckor axiellt ned genom staven ge- nom tranga och krokiga passage; inom den aprickbemängda kutssta- peln, blir problemet accentuerat. Vid höga utbränningsnivaer, säg över 30 till 40 Mwd/kg U, där kuts/kapslingsspslrummet är i huvud- sak slutet blir problemet med långsam axiell gasblandning av verk- lig betydelse. I själva verket har det experimentellt observerats, att under betingelser med slutet spelrum den axiella gasvandringen är sa gott som obefintlig..Det kan ta dagar eller t o m veckor för heliumgasen att vandra ända ned till den nedre delen av bränsle- staven och där successivt aterställa gasens ledningeförmaga. Risk- en för initiering av en termisk feed back-effekt är uppenbar. Möj- ligheterna till att utsträcka bränsledriften till högre utbrän- ningsnivaer kan sålunda effektivt begränsas av den långsamma axi- ella gasblandningsprocessen för den händelse att en kritisk mängd fissionsgaser rakar frigöras under drift.

En annan experimentell observation av väsentlig beskaffenhet i detta sammanhang gällande den konventionella konstruktionen är - trots det faktum att bränalestaven arbetar med kutslkapslings- spelrummen effektivt tillslutna och kuts/kapalingskontakttrycket förblir högt och följaktligen värmeöverföringen mellan de inre ytorna bör vara mycket god, - att kutsens medeltemperatur stiger signifikant när fissionsgaeer introduceras. Tolkningen av detta 455 9o4'j uppträdande ir att den ursprungliga spelrumsvolymen under driften i varmt tillstànd med tiden rört sig inåt i kutskroppen (vars fragment flyttats utåt) och där återupptrider i form av ett flertal sprickhåligheter. Den dispergerade sprickvolymen kan uppgå ' till ungefär 10% av den ursprungliga spelrumsvolymen i kallt tillstånd. När de genomträngts av fissionsgaser verkar de trånga kutssprickorna som värmebarriärer och försämrar effektivt värmeledningen genom kutsfragmenten.

För att nedbringa sådan icke önskvärd frigöring av fissions- gaser under effektmanövrering medelst åtgärder vid bräns- ledesignkonstruerandet och för att göra det möjligt att utsträcka bränsleutbränningemalet väsentligt har f.n. stavar med mindre dia- meter introducerate kommersiellt i bränsleknippen, exempelvis i form av 9x9-bräneleknippen i stället för f.n. 8x8~bräneleknippen i BVR. Genom denna åtgärd minskar bränsledrifttemperaturen liksom även bränslestavarnas linjära värmebelastning. Marginalen gentemot olämplig frigöring av fiseionsgaeer blir följaktligen större. Vi- dare förbättrae även marginalen gentemot PCI/SCC~skador. Sådana ' kan emellertid uppvisa en stavar, vilka blir dyrare att tillverka, annan begränsning hinförlig till värmeledningen, nämligen en kor- tare termisk,bränsletidskonstant, d v e sådana smalare stavar överför den alstrade fiesila effekten med en större hastighet till vattenkylmediet än stavar med större diameter. Detta uppträdande kan påverka härdstabiliteten i BWR under vissa driftbetingelser och utgör en säkerhetsfaktor. I detta fall blir värmeöverföringen i själva verket alltför effektiv genom gapet mellan kuts och kaps- ling.

Genom föreliggande uppfinning åstadkommas en branelekon- struktionslöening som är gemensam för samtliga här i korthet be- skrivna funktioneproblem i nu aktuella typer av LWR-bränsleele- ment, vilka problem är: 1. Benägenheten till PCI/SCC-skador. 2. Föreamringen av den termiska ledningsförmågan kuts/spalt efter FGR. 3. Den termiska feed back-effekten.

Den langsamma axiella gasmigrationen.

Den kortare termiska "bränslekonstanten" för stavar med .liten diameter. 6 455 9u4 A ~ 5 Uppfinningen baserar sig pa insikten om att de fem uppräk- nade problemomradena är fenomenologiskt inbördes relaterade till varandra. I detta avseende skiljer sig uppfinningen från den en- ligt tidigare citerade brittiska patent, vilket avser tva orela- terade fenomen i bränslets uppträdande. Det gemensamma grundläg- gande kännetecknet hos uppfinningen hänför sig till fieeionsgas~ uppträdande (frigörande, koncentration, fördelning etc.) inne i bränsleetaven och dess inverkan pa bränslete beteende i kritiska driftsituationer. - Ett huvudändamál med uppfinningen är att effektivt minimera de skadliga följdverkningarna av FGR. Den lösning som tillgripits för att uppnå detta ändamål är i korthet följande: Enligt uppfinningen vidtas atgärder vid utformningen av kap- slingsrörets invândiga konfiguration och kutsform pa ett sådant sitt, att under drift bränslestaven under intim mekanisk kontakt mellan de individuella avfasade kärnbrânslekutsarna och det bom- försedda kapslingsröret ett system av haligheter eller kanaler med minimala dimensioner för gaskommunikation förblir öppna och inbör- dee anslutna i beröringsytan kuts/kapsling längs hela bränsle- stapeln, och elementet enligt föreliggande uppfinning innefattar sålunda på ett karakteristiskt sätt: bildade mel- 2) en 1) En uppsättning axiellt gående trånga kanaler lan den bomförsedda kapslingsytan och kutspelaren och uppsättning av runtomgående ringformiga rymliga kanaler bildade mellan de avfasade kutearnas ändhörn och kapelingeröret. Kanalsys- temet bildar sålunda en regelbunden gallerstruktur sammansatt av ett flertal axiellt orienterade kanaler som är tväranslutna med ett flertal ringftorus)formade kanaler.

Genom föreliggande uppfinning åstadkommas sålunda ett kärn- bränsleelement innefattande ett cirkulärt metallkapslingsrör in- nehållande sintrade oxidbränelekutear, där röret är invändigt ut- format med en cylindrisk inneryta med ett flertal längsgående bom- mar, vilka formge: axiellt gaende kanaler mellan kapslingsröret och bränslekutearna, varjämte inert gas är tillsatt bränsleelementete halighetsvolym. Kärnbränsleelementet enligt uppfinningen utmärkas vidare av det förhållandet, att bränslekutsarna har avfasade ändytor, vilka bildar toroidala utrymmen vid de angränsande ändarna därav. Det kännetecknas av att förhållandet mellan axiella kanalvolymer- och toroidala volymer är '4 m. Kapslingsröret 1 är utfört av zirkoniumlegering, 455 904 _ 7 högst ca 1 och företrädesvis oj nor in ca 0,5.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen sträcker sig avfasningon mot kutsens centrum med minst ca 10% av kutsra- dien.

För att uppnå full förstlelae av uppfinningen innehåller följande beskrivning exempel av utföringsformer pa det iansprak- tagna brïnsleelementet, och exemplifieringen göres i anslutning till bilagda ritningar, vari: fig. 1 visar ett LWR-bränsleelement i axiellt tvärsnitt inj nefattande uppfinningen; fig. 2 visar en förstorad detalj av övergången mellan tva bränslekutear och anslutande kapslingsrör; fig. 3A och SB visar ett fragment av bränsleelementet enligt uppfinningen i axiellt tvärsnitt respektive ett tvärsnitt längs 3A; fig. 4A, 4B och 4C visar förstorade vyer av sektioner av tre linjen A-A i fig. och 'olika bomkonfigurationer i kapslingsröret.

Det i fig. 1 visade bränsleelementet motsvarar i samtliga detaljer - bortsett ifran bommarna pà kapslingsrörets inneryta - ett LWR-bränsleelement av standardtyp. De sintrade kutsarna 3 i den inkapelade stapeln har sålunda centerless-slipats till mycket exakta diameterdimensioner, vanligen inom ett toleransintervall av É 0,010 mm , varvid kutsdiametern är av storleksordningen 8-12 mm beroende på den aktuella konstruktionen. Kutshöjderna kan variera "sxa~ från 7-15 mm, och kutsarnas ändytor är ofta utförda konkava, lade", kutsstapeln under uppgång till kraftproducerande drift. Hela kute- ("dished“) för att minimera den axiella värmeexpaneionen i stapelhöjdsn är ganska avsevärd, vanligen av storleksordningen ca i allmänhet Zircaloy, vilket även är fallet med de tva ändpluggarna 4 och 8. Ãndpluggarna är försedda med axiellt utskjutande tappar 6 resp. 1D. Nämnda tappar 6,10 har till ändamål att halla bräneleelementet i fixerad position i själva reaktorn på ett konventionellt sätt.

Röret 1 passar omkring kutsstapeln med ett visst annulärt (ra- diellt) spelrum i kallt tillstànd, exempelvis inom intervallet 0,05 mm till 0,15 mm och är företrädesvis ca 0,10 mm. I förelig- gande framställning avses beträffande dimensionerna av detta ring- formiga spelrum mellan kapsling och kutsar alltid det nominella lÛ 455 904 _ 8 spelet i kallt tillstànd nollan den cirkulära nominella innerperi- ferin av kapslingaröret bortsett ifran bommarna och bränalekuts- arnaa yttre cylindrieka yta. Della precisa :ma apeldimenaioner erfordras för minimering av temperaturfallet över spalten under drift och samtidigt undvikes en Ivarare mekanisk interaktion, som representerar en potentiell källa till funktionsproblem i det kon- ventionella LWR-bränaleelementet. Under drift tillslutes detta kalla spelrum mer eller mindre beroende pa den aktuella värmebelastningen och utbränningsgraden. Ofta bildas runtomgaende rillor pa kapslingsytan vid positionerna för övergången kuts-kuts till följd av mekanisk interaktion och dietortion "timglaeeffekt“ hos de enskilda kutsarna. I svarare fall utvecklas kapslingebrott vid dessa rillor i bränsleelement av konventionell känd teknik.

För att förbättra värmeöverföringen i den annulära spalten tillföras bränsleelementets halighetsvolym en inert gas. Denna inerta gas är normalt trycksatt i syfte att förhindra en för tidig anliggning av kapslingsröret mot kutsstapeln under drift och även för att minimera inverkan pa gasene värmeledningeförmaga av konta- mination med fiesionsgaser.

Under förnyad referens till fig. 1 är en samlingskammare (plenum) 14 anordnad för upptagníng av frigjorda fieeionsgaser och överskottinert gas. I denna eamlingskammare är även en spiralfjä- der 12 som verkar pa kutskolonnen anordnad. Denna epiralfjäder 12 har till huvudsakligt ändamal att halla bränslekutsarna pa plate under transport och hantering av bränsleelementet. Sadana sam- lingekammare kan även anordnas vid bade ändar av bränsleelementet. _Som inert gas kan användas en ädslgas, saeom helium eller argon eller en blandning därav.

Fig. 2 visar en detalj av det närbelägna omradet mellan tva bänslekutsar 3 och det intilliggande avsnittet av kapelingsröret 1. Pig. 2 visar den avfasning som ar anordnad vid intilliggande nam av' bränslen-area: a. De: tvärgasnae djupa: för avfasningsn s angivet med sträckan a är minst ca 10% av kutsradien, medan det axiella djupet av avfasningen 5 är ca 1/4 av det tvärgaende djupet a.

Avfasningen i kutsarna 3 bildar tillsammans med det omgivan- de kapslingsröret 1 ett toroidalt utrymme 7, som upptar en viss andel.av bränsleelementets halighetevolym. Ä ' ' -~ L; 455 'sïoÄ Pig. 3A och 33 visar även de ett detaljavsnitt av bränsle- 'elementet enligt uppfinningen, och dessa figurer anger även det sprickmöneter i det keramiska bränslet som uppstar efter det att kärnreaktorn varit i drift under viss tidrymd.m 'Uppfinningen baserar sig pa användningen av en speciell form för branslekutearna. Branslekutearna bör företrädesvis ha ett längd/diameteríörhallande (L/D) nära 1 (ett), till ca 1,2, illustreras i fig. 7 av tidigare nämnda brittiska patent, sasom fran ca 0,8' för att man skall undvika den “timglasdistortion“ som vari- genom de deformerade kutsarna lasss fast och i själva verket nära nog tillsluter de axiella kanalerna sasom där i själva verket ef- tersträvas, genom användning av ett stort L/D-förhallande. Enligt experimentella rön och drifterfarenhet maste vidare kutsarnas and- ytor vara lampligt avfasade, pa grund av de axiella tryckkrafter- nas inverkan pa formen och integriteten av kutsarna under svarare PCI-betingelser. Anbringande av den axislla belastningen pa ind- ytans yttre runtomgaende del maste undvikas. Genom avfasning upp- nas en belastningsposition som ligger inat en sträcka som är minst % av kutsradien, såsom illustreras i fig. 2. Pa detta sätt und- vikes en icke tillatlig splittring av kutshörnen till sma fragment och kutsarnas deformation till "timglas“-form minimeras.

Gaekommunikationssystemet i den bomförsedda kapslingens be~ röringeytor mot kutspelaren inträder i nyttig funktion redan vid laga utbranningsnivaer, vid vilket tilletand bränslekutelkaps- lingespelet i väsentlig utsträckning upptagits av kutefragment, vilka da relokerats radiellt utat till "mjuk mekanisk kontakt" med kapslingens bommar. Med "mjuk mekanisk kontakt" avses att kute- fragmenten ligger löst atskilda och ej utövar nagot tryck pa kape- lingen_ I detta tillstand fördelar sig heliumfyllgasen mellan haligheterna inne i kutsstapeln och den yttre kanalvolymen i fas- gränsytan mellan kuts och kapsling. Heliumgaeen i den rymliga övre eamlingskammaren 14 kommer nu kontinuerligt att kommunicera genom axiell diffusion och konvektion med den gas som innehalleß i hela bransleavsnittet därunder och ealunda medföra utspädning av där eventuellt frigjorda FG. Gasene vandringshaetighet kommer emellertid att vara lägre i de sprickbemangda kutskropparna än i beröringsomradet kuts/kapsling pa grund av de mera tranga och krokiga kommunikationsvägarna i kutsarnas inre. Eventuell FG i de 455 904 .'l0 toroidala utrymmen: eller torusksmrarns 7a i kutsarnas avfasnings- område kommer naturligtvis kontinuerligt att underga snabbare ut- spädning med helium från sanlingskammaren än PG i kutsens inre. I själva verket fungerar varje toruskammare som ett lokalt helium- rikt samlingsutrymme för närliggande par av spräckta bränsle- kutsarf I \ I en bränslestav av konventionell typ där de relokerade kutsfragmenten uppvisar en nästan perfekt geometrisk passning till kapslingsrörets innervägg kommer emellertid hastigheten för axiell gaskommunikation med den övre samlingskammaren lange det tranga beröringeomradet mellan kuts och kapsling att förbli jämförelsevis lag. I detta fall utspäder toruskamrarna och i synnerhet hålig- heterna inne i de med sprickor försedda kutsarna sitt FG-innehåll endast långsamt. Detta betyder att uppehallstiden för frigjord FG blir relativt lang och resulterar i en försämring av stavens vär- meledning och därav åtföljande stegring av bränsletemperaturen.

Den nyttiga verkan av ovannämnda kanalsystem vad avser axiell gaskommunikstion med heliumgasen i den övre samlingskammar- en aterfinnes vid alla de utbränningenivaer, där frigöring av fis- eionegaser som en följd av drift vid hög effekt eller tillfälliga effekttransienter uppträder. Återställande av gasens värmeled- ningsförmaga sker sålunda kontinuerligt längs hela bränelestavens längd genom mekanismen för axiell gastransport.

Vid höga eller utsträckta utbränningsnivaer, där den acku- mulerade mängden fiesionsgaser i kutsstrukturen blivit väsentligt högre, kan emellertid konsekvenserna av en okontrollerad transient fissionsgasfrigöring närma sig eller överskrida vissa funktions- begränsningar i LWR-bränsle av standardtyp, sasom exempelvis det tillatna inre gastrycket vid livslängden: slut eller när det gäl- ler en LOCA-händelse. Under sådana betingelser behöver det i den ursprungliga elementkonstruktionen inherenta gaskommunikations- systemet fundamentalt modifieras sasom beskrivas nedan för att över huvudtaget ge en effekt och för att fungera pa ett adekvat sätt.

Genom bränslekonstruktionen enligt uppfinningen astadkommes effektiv kontroll, speciellt under mekaniskt tillslutna kutslkaps- lingsbetingelser, av den termiska feed-back-effekten och dess kon- sekvenser i form av inducerad hög bränsletemperatur och högt inre .u flfl 455 904 FG-tryck. Dessa effekter är kända för att begränsa funktionen hos LWR-bränslestavar av standardtyp vid effektstegringar som medför att bränsletemperaturen överskrider den kritiska temperaturen för signifikant FGR. Enligt uppfinningen avväges de integrsla volym- erna av de_ tva involverade kanalsystemen, d v s de axiella kanal- erna 9 på kapslingens insida och kutstoruskanalerna 7a inberäknat angränsande eventuella skålutrymmen 7b, i relativa termer sa, att den föregående totala volvmen representerar endast en bråkdel av den senare totala volymenÄ Genom detta kännetecken enligt uppfin- ningen medför en häftig (stor och plötslig) frigöring av fissions- gaser i en sektion av bränslestaven efter en effektstegring att det inre gastrycket vid stället för PGR stiger under ett ögon- blick. Det lokala gastrycket sjunker sedan snabbt (inom nagra fa sekunder) till jämvikt på grund av det snabba axiella gasflödet till samlingskammaren genom de trånga men öppna och raka axiella kanalerna pa kapslingsns insida. Inga tsrmiska feed-back-effekter kan initieras under denna korta tidrymd men en viss modest tem- peraturhöjning sker vid stället för FGR, vilket medför endast en lokal (icke propagerande) feed-back-effekt vid detta ställe.

I en konventionell bränsleelementkonstruktion tvingas samma mängd frigjord FG under långsam trycksänkning under en minut eller så att penetrera den tätt sammanpackade sprickbemängda kutsstapeln genom långa, trånga och krokiga strömningevägar. Under denna långa strömningstid stiger bräneletempsraturen lätt sa att en propager- ande termisk feed back-effekt uppetar och ytterligare gas fri- göres. (När trycket utjämnas under en tidsperiod som är längre än bränslestavens termiska tidskonstant, d v e 4-8 sekunder, sker temperaturstegring). I I bräneleelementet enligt uppfinningen uppdrives hastigheten hos det axiella gasflödet genom den expanderande heliumgas som innehálles i tcruskamrarna till följd av den av energiuppgangen inducerade bränsletemperaturstegringen. Flödeshaatigheten blir större ju mindre andelen axial kanalvolym är relativ torusvolymen.

En rimligt stor men fortfarande acceptabel volym för en enda toruskammare, såsom visas i tvärsnitt i fig. Sa, representerar en andel av rsferensspaltvolymen i kallt tillstànd kring en kuts om minst ca 10%. Motsvarande andel för den volym som innehàlles i de axiella kanalerna omkring en kuts kan lätt hållas vid ett lägre 455 904 ' W värde alltefter bomutformning vid rörframställningen. De axiella kanalerna, såsen illustreras i fig. 4A-C och ytterligare beskrivas nedan, har ännu lägre andelsvärden. Detta betyder att förhållandet axiell volym till toruskanalvolym_blir mindre än ca 1 (ett) och företrädesvis mindre än ca 0,5 för att fungera sa effektivt som möjligt. 1 den roavencieneiia bräneiexonntrurcionen har den 1 toruskamrarna och angränsande eventuella skalutrymmen innehallna heliumgaeen endast begränsad effekt beträffande etrömningstid fram till tryckutjämning på grund av en kraftig strypning av gasflödet.

Efter gasströmningeperioden följer diffusionsblandning av fissionágassrna med heliumgasen. I konventionella bränelekonetruk- tioner sker lokal blandning vid varje kutsniva endast långsamt mellan toruskammaren och de interna och externa haligheterna till följd av de trånga och krokiga diffusionsvägarna. Praktiskt taget äger ingen axiell blandning rum inom rimlig tid. Härigenom kan den termieka feed-back-mekaniamen komma att initisras eller att fort- sätta att verka om den initierats under gaeetrömningeperioden.

I bränsleelementkonstruktionen enligt uppfinningen sker i huvudsak ingen penetration av fiseionsgaser in i kuteetapeln utan- för den axiella positionen för FGR under den snabba axiella ström- ningsperioden. Under strömningsfasen sker en väsentlig utspädning av FG med He fran toruekamrarna genom kónvektion. Diffusionebase- rad He/FG-blandning kommer igang effektivt efter den korta gas- flödesperioden. Under diffusionsaxialblandningen, vilken kan ta nagra timmar för att ga till fullständighet, upprätthallee värme- ledningeförmagan över fasgränsytan_kuts/kapsling tämligen hög (pà grund av det höga kontakttrycket). Den goda värmeöverföringen hal- ler temperaturstegringen i bränsíekutsarna under den kritiska tem- peraturen för FGR eller minimerar atminstone ett eventuellt tempe- raturöverdrag.

I de bestràlningsexperiment som ligger till grund för före- liggande uppfinning har det varit intressant att notera, att den integrala värmeledningen i bränsleetavarna förblir tämligen opa- verkad vid en effektstegring, och därför temperaturhöjningen helt modeet, kanske ca 50°C. Det har även noterats, att efter ca 12 timmars hall vid rampningsns elutniva bränsletemperaturen minskat i ungefär samma grad till följd av en verksam axiell diffusione- _ blandning. Såsom nämnts tidigare äger ingen sådan märkbar bland- ' ' z in 455 90 .ning rum inom flera dygn i bränslestavar av konventionell kon- struktion i ett driftstillstand med mekaniskt tillsluten spalt.

Det är salunda uppenbart, att bränslekonstruktionen enligt uppfinningen beter sig överlägset jämfört med konventionella kon- struktioner vad beträffar värmeöverföring kuts/kapsling, axisll gasblandning och termisk feed back efter en transient fieeionegas- frigöring. Den kända teknikens konstruktion fungerar sj alls ef-- fektivt och tillförlitligt i dessa avseenden.

Den potentiella, alltför stora FGR under "load follow/power cycling operation" är en mycket väsentlig faktor att beakta spe- ciellt ur bränslefunktionssynpunkt vid höga och utsträckta brän- sleutbränningsbetingelser_ Risken för att raka in i en situation med termisk feed back med atföljande högt FG-tryck och hög brän- sletemperatur är uppenbar. Bränsleelsmentet enligt uppfinningen uppträder utmärkt under dessa driftbetingelser. Den lätthet, med vilken gasen strömmar längs de axiella kanalerna, medger kontinu- erlig leverans av gas till och fran toruekamrarna, sa att en ef- fektiv He!FG-blandning upprätthalles och FG kontinuerligt av- lägsnas fran kutsarnas inre håligheter. "Load follow/power cyc- 'ling“ är i själva verket det bästa driftsättet vid användning av bränsleelementet enligt uppfinningen. Vad konventionellt bränsle anbelangar förefaller det motsatta gälla.

I detta sammanhang bör påpekas, att kanalkommunikations- systemet enligt uppfinningen med samma fördel kan kombineras med olika PCI-skademotmedel, mellanekiktkonceptet, "mjuk" kutsdesign etc. saeom Zr-infodringskonceptet, grafit- Ett annat relaterat ändamal med uppfinningen är det kon- struktionsmedel som ges för att justera och kontrollera bränslets “tidskonetant"). termiska tidsrsspons (eller Sasom omnämnts tidi- gare har stavar med mindre diameter, exempelvis 9x9 i stället för 8x8 bränslestavsarrangemang, en alltför kort.tidsreepons i vissa typer av tillämpningar i bränsleknippen för BWR.

Uppfinningen erbjuder en unik möjlighet till justering och kontroll av bränslets tidsrespons för vilken som helst typ av vat- tenreaktorbränaleelement genom enkel kombination av an viss spalt- storlek i kallt tillstànd med en viss fyllgassammansättning av givet tryck. Som exempel kan nämnas att i de utförda bestralnings- testerna kapelingsbomkonstruktionen uppmättes förhöja bränslets 455 904' 14 termiska tidekonstant med 0,8 sekunder i förhållande till den kon* ventionella konstruktionen som typiskt uppmätte 5,0 sekunder. I ,bada fallen användes rent He av 3 bar och en annulär spaltstorlek vid fabrikatienen om 0,075 mm. Under användning av en 33% Ar 671 He fyllgaeblandning var under i övrigt'samma betingelser tidskon- stanten endast 0,2 sekunder längre. Om en större spalt, säg 0,20 mm använts, skulle samma Ar/He-blandning gett en större tids- konstant {) 5,8 sekunder). ' Dessa resultat_antyder, att vid ökning av bränsleutbränn- ingen, under vilken viss kontamination av He med FG (Kr/Xe) och viss tillelutning av kuts/kapslingsspalten uppträder, bränslets termiska tidskonstant ej förändras väsentligt. I konventionella bränslekonetruktioner förväntas i allmänhet ökning av tidskonstan- ten dock utgaende fran ett lägre värde (ibland alltför lagt i sta- var av typen 9x9). Vid högre utbränningar noteras emellertid ett mycket oregelbundet uppträdande.

Ett väsentligt nytt särdrag är de omkenstruerade formerna -och proportionerna hos de tva kanaleystem som införts för intern gaskommunikation, såsom beskrivits tidigare, vilket resulterar i lägre lokal FG-koncentration under skilda driftbetingelser. Den erhållna lägre FG-koncentrationen medför att tillgängligheten och den kemiska aktiviteten hos agressiva korroderande ämnen, såsom jod och kadmium minimeras, sa att salunda PCI/SCC-initieringen .undertryckes i motsvarande grad. Även den högre värmeledning som åstadkommas genom minimering av FGR medför att bräneletemperaturen förblir lag sa att därigenom hastigheten för FGR begränsas och PCI-inducerade kapslingspakänningar halles laga.

Endast genom användning av den modifierade konstruktion som representeras av uppfinningen för kontroll av FGR kan en väsentlig och tillförlitlig förbättring i risken för PCI/SCC~ekador erhål- las.

I bränsleelementet enligt uppfinningen är ett grafitmellan~ skikt mellan kutsar och kapelingsrör ytterligare mycket effektivt 'som PCI/SCC-motmedel. Vid applicering av en 5 /um beläggning pa bränslekutsarna har ingen skada vid överdrivet stor övereffekt- ramping erhållits. Detta förhållande beror förmodligen på en in- hiberande kemisk effekt hos grafiten verkande via gasatmosfären inne i bränslestaven. Ett skyddande ytskikt kan ha bildats pà ~ 04 _15 455 9 kapelingsrörets inneryta mellan kontaktpunkterna där kapslingen underkaetas pakänning langt utöver kritiska PCI/SCC-nivaer men där förblir opaverkad av de närliggande bränslekutsarna. I den konven- tionella bränslekonstruktionen kan PCI/SCC-sprickor ses initierae vid kapelingens ytor där kutsarna "skrapat mot' kapslingen.

Ytterligare nya särdrag av betydelse för PCl/SCC-fenomenet är relaterade till den detaljerade konfigurationen av den bomför- sedda (eller vagformiga) innerytan av kapelingen. Inom den konven- tionella tekniken, aasom den teknik som beskriven i ovan nämnda brittiska patent, är konstruktionen förenad med vissa nackdelar, bland vilka följande kan nämnas. konfigurationen med platta bommar enligt ovan angiven känd teknik kan vid stort mekaniskt tryck förorsaka splittring av de keramiska kutsarna vid kontaktstället, och medför sålunda krav pà en mangfald sadana platta bommar omkring omkretsen för att detta skall kunna undvikas. Splittringen tar formen av sprickor som ut- gar fran kontaktetället. att den försämrar värmeöverföringen kuta/kapeling och kan även ge Denna effekt är icke elle önskvärd därför upphov till ema kutsfragment, som tränger in i kute/kapslings~ epalten, där de kan verka som sprickinitieringeställen för PCI/SCC. En bredare geometriskt matchande kontektyta efterfrågas därför.

Värmeöverföringen över kontaktetâllena kuts/bom har befun- nite vara relativt effektiv redan vid användning av platta bommar.

Enligt uppfinningen erhallee väsentlig förbättring genom införliv- ning av bommar med en inet konkav form. De utskjutande bomytorna träder da i kontakt med kutsatapeln under bade "mjuka" och "hårda" kontakttryck. Bommarns blir karakteristiskt färre omkring kape- lingene innersida än vid användning av platta bommar för eamma totala kontaktyta kuts/kapsling. Härigenom blir även medelapalt- atorleken (och innehallen kanal/volym) mindre.

Genom uppfinningen astadkommes ealunda ett kärnbränsleele- ment, vari var och en av de på kapalingsrörets insida anordnade bommarna i tvärsnitt har en innerkontur, varav atminstone en del ligger inuti ett cirkelsegment bildat mellan en cirkel som omskri- ver de djupaste atällena i kanalerna 9 och en korda analutande intilliggande punkter, se fig. åh, djupaste punkterna 11. Åtmin- stone en del av varje bom ligger ealunda radiellt sett utanför en 1455 904 '*'" 15% motsvarande korda till nämnda cirkel genom nämnda punkter.

Nämnda del av hemmen har sett i tvärsnitt företrädesvis en cirkulär form som ungefär matchar den för den motstaende bränsle- kuteen. Nämnda del av hemmen har lämpligen en tangentiell ut- sträckning som är ca en femtedel till hälften av avståndet mellan centrumlinjerna hos tvâ intilliggande bommar.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda bommar jämnt fördelade över kapslingsrörets innereida till bild- ning av en innerkontur pa kapslingsröret som motsvarar en reguljär polygon. Börnen på denna polygon kan vara rundade (fig. 4C) och den mellanliggande delen avviker från en rät linje.

För ytterligare-illustration visas exempel pa utförings- former.av bomkonfigurationer i figurerna 4A, 4B och 4C. Dessa fi- gurer visar förstorade delsektioner av kapelingsrör l, vars in- sidor är försedda med längsgående bommar av olika utformning.

I utföringeformen enligt fig. 4A har den längsgående bommen Sa konkav cirkulär-form, varvid krökningsradien rRib är större än kutsradien.

I utföringsformen enligt fig. 48 har endast en del av bommen (fRib) är lika med Qb konkav cirkulär form, och krökningsradien kutsradien rPellet. Denna cirkulära del av bommen Qb är ca en tredjedel av avståndet mellan intilliggande bommars centra.

I utföringsformen enligt fig. 4C har bommen 9: likaledes en central del av konkav cylindrisk form, men i denna utföringsform är de hörn som motsvarar den polygon som bildas inne i kapslings- röret 1 genom bommarna rundade i stället för att vara tämligen skarpa.

De tänkbara konfigurationerna enligt figurerna 4A, B och C är specifika i förhållande till den fabrikationeprocedur som till- lämpas. Bommarna enligt fig. 4A och B kan framställas genom kon- ventionell stegvalsningsteknik vid rörtillverkningar och bommarna enligt fig. 4C genom exempelvis en dorndragningemetod. Bomkonturen i fig. 4C ger en gynneammare kanalform med avseende pa axiellt gaeflöde under betingelser med sluten spalt eftersom den ger mind- re gasetrömningsmotstand. Strömningsmotstandet är nämligen grovt sett omvänt proportionellt mot tredje potensen av spaltbredden.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 '17

1. Kärnbränaleelament för använding i kärnkraftreaktorer, innefattande ett cirkulärt metallkapslingsrör innehållande eintra- de oxidbränslekutsar, varvid röret invändigt är utformat med en i huvudsak cylindrisk inneryta med ett flertal langsträckta bommar som bildar axiellt gående kanaler, varjämte bränslekutsarna har avfasade ändytor, vilka bildar toroidala utrymmen vid de angränsande ändarna av bränslekutsarna, och inert gas är tillsatt bränsleelementets halighetsvolym, kännetecknnt därav att förhållandet mellan axiella kanalvolymer och toroidala volymer är högst ca ett (1).

2. Kirnbrânsleelement enligt patentkravet 1, vari avfas- ningen sträcker sig mot kutsens centrum med minst ca 10% av kuts- radien.

3. Kärnbränsleelement enligt patentkravet 1 eller 2, vari bränslekutsarna har ett längd/diameterförhallande av fran ca 0,8 till ca 1,2, såsom approximativt ett (1).

4. Kärnbränsleelement enligt patentkravet 1, 2 eller 3, vari en samlingskammare är anordnad vid åtminstone elementets ena ände för upptagning av frigjorda fissionegaser.

5. Kärnbrânsleelement enligt nagot av de föregående patent- kraven, vari vardera av nämnda bommar i tvärsnitt har en inatrik~ tad kontur, varav minst en del ligger inom ett cirkelsegment bil- dat mellan en cirkel som omskriver de djupaste punkterna av kana- lerna och en korda som ansluter intill varandra liggande djupaste punkter. I

6. Kärnbränsleelement enligt patentkravet 5, vari nämnda del har en cirkulär form som ungefär matchar den för den mittför- liggande bränslekutsen.

7. Kärnbråneleelement enligt patentkravet 6, vari nämnda cirkulära del upptar ca en femtedel till hälften av avståndet mel- lan intilliggande bommars centra.

8. Kärnbränsleelement enligt nagot av de föregående patent- kraven, vari nämnda bommar är jämnt fördelade över kapslingsrörets inneryta sa att de bildar en innerkontur i kapslingsröret som mot- svarar en regelbunden polygon. 4à5 904 “ 455 904 * - tog; _ o' ~~

9. Kïrnbrinnleelomoxgt enligt något :v do föregående patent- kravon, vari Ott tunnt skikt av grafit är närvarandeJrsellan brän- alekolonnen och kapulingan. Q

10. Xärnbrännlealemont onligt något av patentkravøn 2-9, vari nämnda förhàllancto axíolla kanal- till toroidala volymer är höga: ei 0,5. 1/4. .