SE505285C2 - Bränslepatron för kokarvattenreaktor, innefattande sju spridare - Google Patents

Description

505 285 10 15 20 25 30 35 kylmedlet nått koktemperatur överförs vatten till ånga, och kylmedlet befinner sig i två faser. Ju längre upp i härden desto högre är andelen ånga i förhållande till andelen vatten.

I härdens övre del är bränslestavarna bara täckta med en tunn film av vatten, utanför vilken ånga blandat med vattendroppar strömmar.

Om värmeflödet från en bränslestav blir mycket stort i förhållande till kylflödet kan risk föreligga att s k dryout uppträder, dvs vätskefilmen blir så tunn att den inte förmår hålla ihop, utan den bryts upp och det bildas torra väggpartier, vilket lokalt leder till en avsevärt försämrad värmeövergång mellan bränslestaven och kylvattnet med en kraftigt förhöjd väggtemperatur hos bränslestaven som följd.

Den förhöjda väggtemperaturen kan leda till att skador med allvarliga följder uppträder på bränslestavarna. Risken för dryout är störst i bränslets övre del där andelen ånga är som störst.

En spridare påverkar kylvattnets strömning och därmed bränslets kylning. Det är känt att i ett omrâde strax under spridaren, där kylmedlet ännu inte har passerat spridaren, sker en försämring av vattenfilmen på bränslestavarna, medan i ett område över spridaren, där kylmedlet just har passerat spridaren, istället sker en förstärkning av vattenfilmen.

Förstärkningen av vattenfilmen beror på den turbulens som uppstår i kylmedlet när det passerar en spridare. Den största risken för dryout finns i övre delen av bränslet strax under spridarna. Prov har visat att en tätare placering av spridarna i övre delen av bränslet ger en avsevärd minskning av risken för dryout.

Det vanligaste idag är att spridarna är anordnade jämnt fördelade i bränslepatronen, men det är tidigare känt bla genom nedan beskrivna patentskrifter att anordna spridarna med olika inbördes avstånd.

I patentskriften EP-0260 602 beskrivs en mellanspridare som placeras mellan de ordinarie spridarna i bränslets övre del för 10 15 20 25 30 35 505 285 att öka turbulensen och pá sà sätt minska dryoutrisken. Dessa mellanspridare saknar den stödjande funktion som annars utmärker en spridare, och de har ocksà en utformning som väsentligt skiljer sig fràn de ordinarie spridarna. Ur produktionssynpunkt är det en stor nackdel att använda tvà olika spridartyper.

I patentskriften EP-0 246 962 Bl beskrivs hur ett för tryckvattenreaktorer (PWR) specifikt problem med korrosion pa bränslestavarnas övre delar löses genom att sätta spridarna tätare i bränslets övre del. En kokarvattenreaktor har inte motsvarande problem med korrosion i bränslets övre del.

Patentskriften US 005 164 l55A refererar till en kokarvattenreaktor som har problem med vibrationer i bränslestavarna orsakade av kylvattenflödet. För att minska dessa vibrationerna sätts spridarna tätare i bränslets undre del och spridarna sätts glesare i bränslets övre del.

Den europeiska patentskriften EP 514 116 Al visar en bränslepatron i vilken spridarna är anordnade tätar i bränlepatronens övre del än i dess undre del. Bränslepatronen innefattar dels hellànga bränslestavar och dels ett antal dellánga bränslestavar som är väsentligt kortare än de hellánga bränslestavarna. Antalet spridare är àtta. En nackdel med dellànga bränslestavar är att de ger en ökning av risken för dryout. För att kompensera för denna ökning av dryoutrisken har extra spridare införts i bränslepatronens övre del. En ökning av antalet spridare i bränslepatronens övre del leder till en ökning av tryckfallet i den övre delen vilket normalt bör undvikas eftersom det leder till en ökad risk för termohydralisk instabilitet i härden. Tack vare att de dellánga bränslestavarna sänker tryckfallet i bränslepatronens övre del sà uppstår inte problem med instabilitet i den anvisade bränslepatronen.

I en reaktorhärd byts aldrig allt bränslet ut samtidigt, utan vanligtvis byts ca en femtedel av bränslet ut varje àr, vilket innebär att det kan ta ca fem är innan allt bränslet är utbytt. 10 15 20 25 30 35 505 285 Eftersom nytt och gammalt bränsle blandas kan stora ändringar i bränslets uppbyggnad ge upphov till problem. Förändringar i bränslet bör därför vara sà smà som möjligt. I ovan nämnda US patent kolumn 6, rad 58 - 68 beskrivs ett av de problem som uppstár när avstànden mellan spridarna ändras. För mätning av neutronflödet i reaktorhärden används detektorer som rör sig i vertikalled, neutrondetektorerna befinner sig i reaktorhärden utnyttjas det s k TIP. För att lokalisera var faktum att spridarna absorberar neutroner och därmed orsakar minimum i neutronflödet. Hänsyn till spridarnas absorbtion mäste även tas vid beräkningen av neutronflödet. Om spridarnas placering ändras väsentligt sä innebär det problem vid utvärderingen av signalerna fràn neutrondetektorerna under den period när bränslet byts ut.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamàl med uppfinningen är att anvisa en bränslepatron där samtliga bränslestavar är i huvudsak lika lànga och som har en lag risk för dryout och en lag risk för termhydralisk instabilitet.

Vad som kännetecknar en bränslepatron enligt uppfinningen framgàr av bifogade patentkrav.

En fördel med uppfinningen är att inga stora förändringar i spridarnas placering behöver göras.

En bränslepatron enligt uppfinningen har sju spridare. Att antalet är precis sju är väsentligt för att uppfinningen ska fungera. Om antalet spridare är större och dessa anordnas tätare i bränslepatronens övre del i enlighet med uppfinningen sà ökar tryckfallet i bränslepatronens övre del sä att risken för termohydralisk instabilitet blir oacceptabelt stor.

För en bränslepatron där alla bränslestavar är av fullängd gäller att risken för dryout finns i den övre halvan av tva-fas omradet. En bränslepatron enligt uppfinningen erhàller 10 15 20 25 30 35 505 285 förbättrade dryout egenskaper tack vare att hela den övre halvan av två-fas området täcks med tätare spridare.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar förenklat ett längdsnitt av en bränslepatron enligt känd teknik, som har sex spridare placerade på lika avstånd till varandra.

Figur 2 visar förenklat ett längdsnitt av en bränslepatron med spridare anordnade enligt uppfinningen.

Figur 3 visar en perspektivbild av ett exempel på en BWR spridare.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL I figur l visas ett längdsnitt av en tidigare känd bränslepatron till en kärnreaktor. Bränslepatronen innefattar bränslestavar l, vilka sammanhålls och fixeras av spridare 2, en topplatta 3, och en bottenplatta 4. I detta exempel har bränslepatronen sex väsentligen likadana spridare som uppifrån räknat benämns S11, S12 osv. Spridarna är placerade på praktiskt taget lika avstånd Ll mellan bottenplattan och topplattan. Avståndet Ll mellan Sll och topplattan motsvarar avståndet mellan två närliggande spridare. Avståndet Ll mellan S16 och bottenplattan motsvarar avståndet mellan två närliggande spridare.

I figur 2 visas ett längdsnitt av en bränslepatron med spridare anordnade enligt uppfinningen. I fortsättningen kommer spridarna att i tur och ordning uppifrån räknat att benämnas S21, spridare S22 och S23. De tvà nya spridarna är väsentligen S22 osv. Spridaren S12 i figur 1 har ersatts med två likadana som de övriga spridarna. Avståndet mellan S21 och S22, S22 och S23, L2. Förhållandet mellan Ll och L2 är följande: S23 och S24 är praktiskt taget lika och benämns 505 285 10 15 20 25 30 35 2 X Ll E 3 X L2 I figur 3 visas en perspektiv bild av ett exempel pà en BWR spridare.

En bränslestav innefattar ett avlangt kapselrör tillslutet i var ände med en plugg. Kapselröret är fyllt av en uranpelare upp till en viss höjd. Ovanför uranpelaren finns en tom volym för att innesluta gasformiga avfallsprodukter. Avstàndet L3 mellan den första spridaren S11 och uranpelarens övre ände är ungefär lika med avståndet L2 mellan de tvá nya spridarna (L3 E L2). Dels pá grund av att uranet i uranpelarens översta del vanligen har en lägre anrikning jämfört med längre ner i pelaren och dels pà grund av neutronläckage, sä blir effekten lägre och dryoutrisken mindre i bränslets allra översta del.

Detta innebär att det är fullt tillräckligt att byta ut spridaren S12 mot tvä nya för att minska risken för dryout i hela den övre delen av bränslepatronen.

Att ästadkomma tätare spridare i den övre delen av bränslepatronen genom att byta en spridare mot tvà nya spridare innebär att fem av sex spridare fär behálla sina tidigare placeringar. Detta underlättar utvärderingen av signalerna fràn de rörliga neutrondetektorerna under den period som bränslet i reaktorhärden byts ut. En annan fördel med att làta sá mànga spridare som möjligt fä behälla sina tidigare placeringar är att det vid dryouttest av nya bränslepatroner endast krävs en mindre ombyggnad av testutrustningen.

I äldre bränsletyper är bränslestavarna i patronen anordnade i formationer med en stavtäthet frán 7x7 upp till 9x9. I nyare bränsletyper har patronerna oftast en högre stavtäthet, en vanlig stavtäthet är 10x10. Att stavtätheten är 10x10 behöver inte innebära att antalet bränslestavar är 100 utan kan vara lägre dä vissa positioner i patronen är obesatta. Ett lOxlO bränsle kan också bestà av ett antal delpatroner t ex fyra st 5x5 delpatroner. I ett 10x10 bränsle är antalet stavar fler och dessutom smalare än stavarna i ett bränsle med en lägre 10 15 505 285 stavtäthet. Eftersom flödeskanalerna mellan stavarna blir trängre, innebär det att den sträcka efter spridaren där turbulens kvarstár blir kortare för en patron med hög stavtäthet, jämfört med en patron med lägre stavtäthet, vilket i sin tur betyder en större dryoutrisk. Ju högre stavtäthet bränslet har desto större är behovet av att sätta spridarna tätare i bränslepatronens övre del.

När antalet spridare ökas ger det upphov till ett högre tryckfall över bränslet. Mätningar har visat att även spridare med ett relativt lágt tryckfall, sàsom de i figur 3 visar, ger en avsevärd minskning av dryoutrisken, trots att de ger mindre turbulens än spridare med högre tryckfall. Detta innebär att spridare med lagt tryckfall med fördel kan kan används i en bränslepatron enligt uppfinningen. Om spridare med ett relativt högt tryckfall används kan detta behöva kompenseras t ex genom att placera lágtryckfallsspridare i nedre delen av bränslet, eller genom en ökning av flödesarean i bottenplattan.

Claims (2)

505 285 3 PATENTKRAV

1. En bränslepatron för en kokarvattenreaktor där kylmedel strömmar uppåt genom bränslepatronen och därvid övergår från ett enfastillstánd till ett tvåfastillstànd, vilken bränslepatron innefattar - en topplatta (3) och en bottenplatta (4), - ett antal mellan dessa i ett knippe anordnade bränslestavar (1) vilka alla i huvudsak är lika långa, - sju väsentligen lika spridare (2) för att sammanhàlla knippet, varav en första spridare är anordnad närmast topplattan och en andra, en tredje, en fjärde, en femte, en sjätte och en sjunde spridare är anordnade efter varandra utmed bränslepatronens längd, k ä n n e t e c k n a d a v att - bränslepatronen i sin axiella led är indelad i sju lika långa dellängder (Ll), j - avståndet mellan topplattan och den första spridaren utgör i huvudsak en dellängd (Ll), - avståndet mellan den första och den andra spridaren utgör i huvudsak två tredjedelar av en dellängd (2/3-Ll), - avståndet mellan den andra och den tredje spridaren utgör i huvudsak två tredjedelar av en dellängd (2/3-Ll), - avståndet mellan den tredje och den fjärde spridaren utgör i huvudsak två tredjedelar av en dellängd (2/3-Ll), - avståndet mellan den fjärde och den femte spridaren utgör i huvudsak en dellängd (Ll), - avståndet mellan den femte och den sjätte spridaren utgör i huvudsak en dellängd (Ll), - avståndet mellan den sjätte och den sjunde spridaren utgör i huvudsak en dellängd (Ll), - avståndet mellan den sjunde spridaren och bottenplattan utgör i huvudsak en dellängd (Ll). 505 285

2. Bränslepatron enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att alla bränslestavarna sträcker sig mellan topplattan och bottenplattan.