SE506818C2 - Kärnbränslepatron - Google Patents

Description

506 818 vatten. Denna skillnad mellan den övre och den nedre delen ger upphov till speciella problem som maste tas hänsyn till nar bränslepatronen utformas.

Detta problem kan lösas genom àstadkommande av en flexibel brànslepatron som pà ett enkelt satt kan ges en utformning där den övre delen av branslepatronen skiljer sig fràn den undre delen sa att optimala förhållanden kan erhàllas. En bränslepatron för en kokarvattenreaktor med dessa egenskaper visas i PCT/SE95/01478, inlàmnande annu àr.opublicerad. Denna branslepatron som vid denna patentansökans innefattar ett flertal pa varandra staplade brànsleenheter, vilka var och en innefattar ett flertal branslestavar som sträcker sig mellan en topplatta och en bottenplatta.

Bránsleenheterna är omslutna av ett gemensamt höljerör med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. En bränslepatron av denna typ kan pà ett enkelt sätt ges olika utformning i sin övre och undre del. Även i en lattvattenreaktor av tryckvattentyp kan det vara lämpligt att utforma brànslepatronerna sa att vardera branslepatronen innefattar ett flertal pà varandra staplade bransleenheter. Liksom ovan beskrivet innefattar da var och en av brànsleenheterna ett flertal brànslestavar som sträcker sig mellan en topplatta och en bottenplatta. En bránslepatron för en tryckvattenreaktor innefattar dock inget höljerör.

En faktor man maste ta hänsyn till vid utformning av bransleenheter som ar i storleksordningen 300-1500 millimeter lànga ar att vid karnklyvning bildas fissionsgaser. Dessutom expanderar pelaren av branslekutsar pà grund av den i branslekutsarna bildade varmen. För att ta hand om fissionsgaserna och den termiska expansionen av brànslekutspelaren ar i kända hellanga, dvs i storleksordningen 4 meter långa, brànslestavar normalt ett relativt stort utrymme, axiellt gap, bildat ovanför den översta branslekutsen i kapslingsröret. Det axiella gapet är i storleksordningen 200-300 millimeter langt. Till detta axiella gap kan saledes fissionsgaserna diffundera och 506 818 pelaren av bränslekutsar kan expandera in har. Det axiella gapet innehaller saledes inget klyvbart material.

En annan faktor man maste ta hänsyn till vid utformningen av axiella gap är att kapslingsrörets temperatur i detta omrade är lägre än i det övriga kapslingsröret genom att ingen bränslekuts är anordnad i det axiella gapet. Ett problem som kan uppsta till följd av detta är att väte som bildas bland annat vid korrosion av kapslingsröret, som är av en zirkoniumbaserad legering, och tas upp av detta, diffunderar in i detta kallare omrade. I det fall koncentrationen av väte blir för hög i detta omrade bildar det hydrider i kapslingsmaterialet och orsakar försprödning av detta. I ett allvarligt fall kan det ga hal pa kapslingsröret och klyvbart material kan komma ut i kylvattnet. Tendens till samma typ av problem kan även uppträda i omradena mellan kutsarna, dvs dar en underande av en branslekuts anligger mot en överände hos en intill liggande branslekuts, och i omradet mellan tva pa varandra staplade bransleenheter. Risken för försprödning pa grund av alltför hög koncentration av väte ökar, till en viss gräns, med storleken pa det axiella gapet.

Det är känt att pa olika sätt minska fissionsgasfrigörelsen.

Ett sadant satt är att förse en eller flera av bränslekutsarna med genomgaende hal i deras axiella riktningar. Pa sa satt sanks temperaturen i branlsekutsen varvid fissiongasfrigörelsen minskas och det axiella gapet kan minskas. I detta fall behövs dock ett axiellt gap pa i storleksordningen nagra millimeter i en stav med en längd pa i storleksordningen 300 millimeter, upptill nagra tiotals millimeter för längre stavar, för att tillata den termiska expansionen av pelaren av branslekutsar.

Syftet med föreliggande uppfinning är att anvisa en bränslepatron för en lättvattenreaktor med ett flertal korta bränlseenheter där minst en branslestav ar utformad med ett axiellt gap och med organ för omhändertagande av in i detta gap diffunderande väte förhindrande att otillatet höga 506 818 koncentrationer av väte byggs upp i materialet som omger det axiella gapet.

UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Föreliggande uppfinning avser en bränslepatron innefattande en bränslestav med ett axiellt gap för ackumulering av under drift bildade fissionsgaser och termisk expansion av kärnbränslet. De särdrag som kännetecknar denna bränslepatron finns angivna i patentkrav l.

Bränslestaven innefattar ett kapslingsrör och en i detta anordnad stapel av bränslekutsar, en pelare med extruderade bränslecylindrar eller en obruten pelare av vibrationskompakterat bränslepulver. Kapslingsröret är förslutet med en plugg i vardera änden, närmare bestämt med en topplugg respektive en bottenplugg. Bränslestaven är vid utrymmet utan klyvbart material försett med en större godstjocklek än resterande del av bränslestaven. I en fördelaktig utföringsform av uppfinningen ästadkoms denna godstjocklek i toppluggen. Toppluggen är dä försedd med en hälighet vänd mot den i kapslingsröret anordnade översta bränslekutsen. Toppluggen ar företrädesvis ansluten till kapslingsröret pä ett sädant satt att dess inre diamter överensstämmer med kapslingsrörets inre diameter och förtjockad radiellt utàt. Pa detta sätt tilläts pelaren av bränslekutsar att pä grund av termisk expansion utvidgas uppät och in i toppluggen.

Genom utformning av bränslestaven kring det axiella gapet med en större godstjocklek ökas här den väteupptagande förmägan.

Genom ökad vateupptagning minskas vätekoncentrationen i utrymmet i motsvarande grad och därmed risken för försprödning i den övre delen av bränslestaven.

Fördelen med uppfinningen är att risken för försprödning pä grund av alltför hög vätekoncentration i det axiella gapet för termisk expansion och fissionsgaser minskas genom ökning 506 818 av materialmängden och därmed den väteupptagande förmägan i detta omräde.

Den ökade materialmängden i den övre delen av bränslestaven innebär även förbättrade mekaniska egenskaper hos den övre delen ifräga, genom att det minkar päverkan av de spänningar i materialet som uppkommer pä grund av de i detta utrymme samlade fissionsgaserna.

En annan fördel med uppfinningen är att den ökade materialmängden i den övre delen av bränslestaven innebar ett förbättrat motständ mot skador pä kapslingsröret i detta omräde orsakade av nötning och korrosion och/eller erosion. I samband med reparationer och service av en kärnreaktor kan det nämligen komma in skräp, i kylmedlet.

Skräpet förflyttas sedan med kylmedlet dä detta cirkuleras säsom metallspàn, genom härden. Sàdant skräp kan i vissa fall komma att ge upphov till nötningsskador pä kapslingsröret.

Nötningsskadorna kan i vissa fall uppstá i höjd med topplattan pá grund av att skräpet fastnar i denna och ligger kvar. Dä det kommer i vibration av kylmedlet som strömmar förbi nöter det pä kapslingsrören som omger bränslekutsarna.

I värsta fall kan nötningsskadorna leda till att klyvbart material kommer ut i kylvattnet.

Ytteligare en fördel är att blandningsfenor pá ett enkelt sätt kan anordnas i bränslestavens övre ände.

RITNINGSF IGURER Figur la visar i en vy frän sidan en delvis snittad bränslepatron av kokarvattentyp med korta bränsleenheter.

Figur 2 visar ett snitt A-A av bränslepatronen i figur 1.

Figur 2a och 2b visar alternativa utföringsformer i ett snitt motsvarande snittet A-A av bränslepatronen i figur 1. 506 818 lO l5 Figur 3 visar i en vy frán sidan en brànslepatron av tryckvattentyp med korta bränsleenheter.

Figur 4 visar en brànslestav för en bränsleenhet enligt figur l.

Figur 5 visar i ett snitt av figur 4 en alternativ utföringsform av en toppluggs yttre yta.

Figur 6a visar en utföringsform av den övre delen av en brànslepatron där en topplugg försetts med blandningsfenor.

Figur 6b visar ett vertikalt snitt genom den övre delen av brànslestaven som visas i figur 6a.

Figur 7 visar en utföringsform av den övre delen av en brànslepatron där en topplugg försetts med kylflànsar.

Figur 8 visar i en vy fràn ovan flödesöppningar i en topplatta för sammanhållning av branslestavrnas övre ändar vilka är försedda med blandningsfenor.

UTFÖR INGS EXEMPEL Figur l visar en brànslepatron enligt uppfinningen.

Branslepatronen innefattar ett övre handtag 1, ett nedre àndparti 2 och ett flertal pa varandra staplade brànsleenheter 3. Varje brànsleenhet 3 innefattar ett flertal bränslestavar 4 anordnade parallellt och pà bestämda avstànd fràn varandra i ett givet gitter. Varje brànsleenhet 3 innefattar vidare en topplatta 5 och en bottenplatta 6 för infastning av branslestavarna 4 i sina respektive positioner i gittret. Brànsleenheterna 3 är staplade pà varandra i brànslepatronens làngdriktning och de är staplade pá sa sätt att topplattan 5 i en bränsleenhet 3 är vänd mot bottenplattan 6 i nästa bransleenhet 3 i stapeln, och sà att brànslestavarna 4 i alla brànsleenheterna 3 är parallella med varandra. En branslestav 4 innefattar klyvbart material i form av en i ett kapslingsrör 7a anordnad stapel av 506 818 bränslekutsar 7b av uran. Ett kylmedel är anordnat att strömma nedifrän och upp genom bränslepatronen.

Figur 2 visar ett att bränslepatronen är innesluten i ett höljerör 8 med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. Hölje- röret 8 är försett med ett ihäligt, med korsformat tvärsnitt utformat stödorgan 9, som är fast förbundet med höljerörets 8 fyra väggar. I den av stödorganet 9 bildade centrala kanalen 14 strömmar moderatorvatten. Höljeröret med stödorgan s k med ätminstone i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. omsluter fyra vertikala kanalformade delar 10, delkanaler, De fyra delkanalerna innehåller var sin stapel av bränsle- enheter 3. Varje bränsleenhet 3 innefattar 24 bränslestavar 4 anordnade i ett symmetriskt 5x5 gitter.

Bränslepatronen i figur 2 innefattar 10x10 bränslestavs- positioner. Med en bränslestavsposition avses en position i gittret. Alla bränslestavspositioner i gittret behöver inte vara besatta med brànslestavar 4. I vissa bränslepatroner har ett antal bränslestavar 4 ersatts med en eller flera vattenkanaler. Införandet av en vattenkanal förändrar antalet bränslestavar 4 men inte antalet bränslestavspositioner.

Figur 2a visar ett alternativt utförande av en bränslepatron av samma typ som den i figur 1 visade. Bränslepatronen är försedd med en invändig vertikal kanal l4a genom vilken vatten leds nedifrän och uppät genom bränslepatronen. Kanalen l4a omsluts av ett rör 9a med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt. Bränsleenheterna 3 hälls pa plats genom att de är uppträdda pä röret som omsluter den vertikala kanalen l4a.

Figur 2b visar ytterligare ett utförande av en bränslepatron av samma typ som den i figur l visade. Bränslepatronen är försedd med tvà centrala vertikala vattenstavar l4b genom vilka vatten leds nedifrän och uppät genom bränslepatronen.

Vattenstavarna l4b har en diameter som är nägot större än bränslestavarnas 4 diameter och är utformade med ett i huvudsak cirkulärt tvärsnitt. Bränsleenheterna 3 hàlls pà plats genom att de är upptradda pä vattenstavarna l4b.

O 6 8 18 Figur 3 visar en bränslepatron av tryckvattentyp. Pä samma sätt som bränslepatronen i figur 1 innefattar den ett flertal pä varandra staplade bränsleenheter 3. Varje bränsleenhet 3 innefattar ett flertal bränslestavar 4 anordnade parallellt och pä bestämda avständ frän varandra i ett givet gitter.

Varje bränsleenhet 3 innefattar vidare en topplatta 5 och en bottenplatta 6 för infästning av bränslestavarna 4 i sina respektive positioner i gittret. Bränsleenheterna 3 är staplade pä varandra i bränslepatronens längdriktning och de är staplade pä sä sätt att topplattan 5 i en bränsleenhet 3 är vänd mot bottenplattan 6 i nästa bränsleenhet 3 i stapeln, _och sä att bränslestavarna 4 i alla bränsleelementen 3 är parallella med varandra. En bränslestav 4 innefattar klyvbart material i form av en i ett kapslingsrör 7a anordnad stapel av bränslekutsar 7b av uran. Ett kylmedel är anordnat att strömma nedifrän och upp genom bränslepatronen. Ett antal sä kallade styrstavsledrör 4b är anordnade sig sträckande genom hela bränslepatronen. Styrstavsledrören 4b är avsedda att mottaga fingerformade styrstavar (ej visade) som skjuts in respektive dras ut ur ledrören 4a i syfte att reglera kärnreaktorns effekt. och en bottendel l6'. översta bränsleenheten 3 i bränslepatronen och bottendelen Ledrören 4a löper mellan en toppdel 15' Toppdelen 15' är anordnad ovanför den 16' är anordnad under den nedersta bränsleenheten 3 i bränslepatronen.

Figur 4 visar en bränslestav 4 för en bränslepatron enligt figur 1, 2, 2a eller 2b. Bränslestaven 4 innefattar, säsom nämnts ovan, ett kapslingsrör 7a och en i detta anordnad stapel av bränslekutsar 7b. Kapslingsröret 7a är upptill förslutet med en topplugg 15 och nedtill med en bottenplugg 16. I figuren 4 visas en topplugg 15 som är anordnad att delvis omsluta en del av pelaren med bränslekutsar 7b.

Toppluggens 15 inre diameter överensstämmer med kapslingsrörets 7a inre diameter sä att en jämn insida hos bränslestaven 4 erhälls. Toppluggen 15 är utformad med ett i vilket fissionsgaser kan inre hälrum. ett axiellt gap 15a, 506 818 ackumuleras. Det axiella gapet l5a är även avsett att tilläta termisk expansion av pelaren av bränslekutsar 7a.

Bränslestaven 4 ar försedd med en godstjocklek som kring det axiella gapet l5a är större än hos den övriga bränslestaven 4, se hänvisningssiffra l5b. I figuren 4 är det tjockare godset l5b kring det axiella gapet l5a astadkommet i toppluggen 15 som sa att säga är förtjockad radiellt utat. I en alternativ utföringsform kan kapslingsröret 7a förses med en tjockare godstjocklek l5b i det omrade som är avsett att omsluta ett axiellt gap l5a.

För att minska frigörelsen av fissionsgaser kan bränslekutsarna 7b, sa som visats i figuren 4 utformas med genomgaende hal 17. Pa sa sätt minskas den maximala temperaturen som uppträder i bränslekutsarnas 7a centrala del och därmed frigörelsen av fissionsgaser. Genom att förse branslekutsarna 7b med hal 17 astadkoms även ett i axiell led fördelat fissionsgaputrymme varvid det axiella gapet l5a i stavens 4 övre ände kan minskas i motsvarande grad. Det axiella gapets l5a axiella utsträckning är beroende av bränslestavens 4 längd. Som exempel kan nämnas att för en bränslestav 4 som är i storleksordningen 300 millimeter lang är det axiella gapets l5a axiella utsträckning i storleksordningen 2-5 millimeter.

Bränslekutsarna 7a är vidare utförda med skalade övre och undre ändytor, se hänvisningssiffra 18. Bränslekutsarna 7b växer pä grund av den termiska expansionen mer i de centrala, Skalformen 18 medger saledes termisk expansion till en viss grad innan det varmare delarna än i de yttre, kallare delarna. axiella gapet l5a tas i ansprak för detta ändamal.

Det är viktigt att utforma det tjockare godset l5b kring det axiella gapet l5a sa att detta ger upphov till ett sà litet tryckfall som möjligt. Bränslestaven 4 uppvisar därför en mjuk övergang mellan kapslingsrörets 7a yttre diameter och toppluggens 15 största diameter. Toppluggens 15 övre del är av samma skäl försedd med rundade hörn. 506 818 I figur 5 visas en alternativ utföringsform av toppluggens 15 yttre yta. Denna utföringsform avser att ge upphov till ett, i jämförelse med den i figur 4 visade utföringsformen, lägre tryckfall. Övergängen, se hänvisningssiffra l5c, mellan den mindre och den större diametern hos bränslestaven 4 är här utförd längre än den i figur 4 visade. Pä samma sätt är den övre delen vid hänvisningssiffra 15d försedd med en mera längsträckt övergäng.

I figur 6a och 6b visas en utföringsform av toppluggen 15 där denna försetts med blandningsfenor 19. Blandningsfenorna 19 är utformade som bommar sig sträckande ut frän toppluggens 15 yttre yta i en riktning tvärs kylmedlets flödesriktning och i en riktning parallell med toppluggen 15.

I en fördelaktig utföringsform av uppfinningen är fyra blandningsfenor 19 Blandningsfenorna 19 kan vara en eller flera till antalet. anordnade jämnt fördelade utmed toppluggens 15 yttre yta. I figur 6a och 6b är blandningsfenorna 19 visade raka och med en lutning. Lutningen kan väljas till en vinkel a i förhällande till toppluggens 15 centrumaxel C som är i storleksordningen 15°-40°. Alternativt kan blandningsfenorna 19 utformas med en välvd form för att ytterligare öka kylmedlets omblandning och därmed dess kylförmäga. Genom toppluggens 15 i övrigt spolformiga utseende ökas kylmedlets hastighet vid passage av denna varvid blandningsfenornas 19 effekt ökas.

I figur 7 visas en utföringsform där toppluggen 15 försetts med flänsar 20. Flànsarna 20 är utformade sig sträckande ut frän toppluggens 15 yttre yta i en riktning tvärs kylmedlets flödesriktning och i en riktning parallell med toppluggens 15 centrumaxel C. Denna utformning av toppluggen 15 är särskilt lämplig att anordna i den nedre delen av bränslepatronen där behovet av omblandning av kylmedlet är mindre än i den övre delen av bränslepatronen. Syftet med flänsarna 20 är att öka materialets väteupptagande förmäga sä att resten av toppluggen 15 kan ges en mindre godstjocklek. Med denna utformning kan den väteupptagande materialmängden ökas med '11 506 818 ett litet tryckfall som följd. Samtidigt kan toppluggens 15 övriga godstjocklek minskas i motsvarande grad.

Blandningsfenorna 19 och flànsarna 20 ger även en större till kylmedlet värmeöverförande yta.

I figur 8 visas i en vy fràn ovan en topplatta 21 för sammanhållning av bränslestavarnas 4 övre andar. Topplattan 21 innefattar ett flertal flödesöppningar 22 för genomlopp av det uppàt genom brànslepatronen strömmande flödet. Vidare innefattar topplattan 21 öppningar 23 för mottagande och positionering av tappar 24 anordnade i den övre delen av toppluggen 15.

I en fördelaktig utföringsform är blandningsfenorna 19 anordnade sa att de helt eller delvis täcks av de ytor hos topplattan 21 som är utbildade tvärs flödesriktningen mellan flodesöppningarna 22. Pa detta satt begränsas den tryckförlust som blandningsfenorna 19 respektive flànsarna 20 ger upphov till.

Claims (6)

'12 506 818 10 15 20 25 30 35 PAT EN TKRAV

1. Bränslepatron för en lättvattenreaktor med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt innefattande ett flertal bränslestavar (4) som sträcker sig mellan en topplatta (5) och en bottenplatta (6). nedifran och upp genom bränslepatronen och en bränslestav (4) (7a) klyvbart material kännetecknad av att ätminstone en branslestav (4) (15a) i det klyvbara materialet och att godstjockleken (15b) kring det (15a) huvudsakliga delen av kapslingsröret där ett kylmedel är anordnat att strömma innefattar ett kapslingsrör som omsluter en pelare med (7b) är försedd med ett axiellt gap är större än godstjockleken hos den (7a). axiella gapet

2. Bränslepatron enligt patentkrav l, kännetecknad av att det axiella gapet (l5a) är anordnat i den övre delen av bränslestaven (4).

3. Bränslepatron enligt patentkrav 1, kännetecknad av att (l5a) anordnad att tillsluta den övre änden hos kapslingsröret (15b) det axiella gapet ar anordnat omslutet av en topplugg (15) (7a) toppluggen och att den större godstjockleken är anordnad i (15).

4. Bränslepatron enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknad (19) dvs i toppluggen (20) är anordnade i (7a) eller flänsar (15) (15a). av att blandningsfenor det gods, eller i kapslingsröret som omger det axiella gapet

5. Bränslepatron enligt patentkrav 4, kännetecknad av att (19) sig ut frän godsets utät vettande yta och är anordnade med en vinkel (a) i förhällande till toppluggens (15) centrumaxel blandningsfenorna är utformade som bommar som sträcker '(C).

6. Bränslepatron enligt nagot av föregående patentkrav, (15a) motsvarar innerdiametern hos den huvudsakliga delen av (7a). kännetecknad av att det axiella gapets diameter kapslingsröret