SE510816C2 - Spridare och bränslepatron för en kärnreaktor - Google Patents

Description

510 816 2 En bränslepatron för en kärnreaktor av tryckvattenreaktortyp har i princip samma uppbyggnad som en bränslepatron för en kärnreaktor av kokarvattenreaktortyp frànsett att bränslestavarna inte innesluts av nagon rörformig ßehallare och att de är fler till antalet.

Dä kylmedel strömmar uppàt genom härden inducerar flödet kraftkomponenter som päverkar bränslestavarna i horisontell riktning sà att dessa börjar vibrera. Dessa vibrationer kan ge upphov till nötningsskador hos stavarna. Nötningsskadorna uppträder främst pä de punkter där stavarna änligger mot spridarcellens invändiga fasta eller fjädrande stöd. Nötningen kan i svara fall orsaka penetrering av bränslestaven varvid fissilt material kan passera ut i härden.

Det är känt att öka marginalen mot nötning genom att minska avstandet mellan spridarna. Da uppstär emellertid ett annat problem, nämligen att spridarna inte far ha sa högt individuellt flödesmotstand att det totala tryckfallet överstiger ett förutbestämt värde vid kylmedlets passage genom bränslepatronen.

Konstruktion av spridare innebär att hänsyn mäste tagas till motstridiga krav. Å ena sidan skall spridaren vara tillräckligt stark för att minska bränslestavarnas utböjning och vibration och för att motstà stora termiska och hydrauliska krafter. Den mäste ge tillräcklig anliggningsyta mot bränslestavarna för att minimera lokal nötning pa bränslestavarna i kontaktpunkterna.

Den mäste kunna tala svällning av bränslestavarna. Ä andra sidan skall spridaren utföras med en minimal mängd av material för att minimera neutronabsorberande verkan. Den skall utformas sä att den ger minimalt flödesmotstánd och materialet som den tillverkas i skall i sig vara làgabsorberande, till exempel zirkonium.

En annan viktig faktor vid konstruktion av en spridare till en lättvattenreaktor är att tillse att spridaren àstadkommer en god kylning av bränslestavarna genom lämplig omblandning av 3 510 816 kylmedlet. I de fall kylningen inte är tillräcklig kan i en kokarvattenreaktor sä kallad torrkokning och i en tryckvattenreaktor sä kallad DNB Boiling) uppträda. Vid allvarliga fall ger torrkokning respektive DNB upphov till penetrering av bränslestavarna.

(Departure from Nucleate Minsta tilläten torrkoknings- eller DNB-marginal under stationär reaktordrift skall ha ett värde som innebär en acceptabelt liten risk för bränsleskador pä grund av torrkokning eller DNB under säväl normal drift som förväntade transienter.

Spridarna päverkar säledes kylmedlets 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 kylmedelsfilmen pä bränsletavarna, medan i ett omrade över spridaren, där kylmedlet just har passerat spridaren, istället sker en förstärkning av vattenfilmen.

Förstärkningen av kylmedelsfilmen beror pä den turbulens som uppstär i kylmedlet dä det passerar en spridare. Den största risken för torrkokning finns i övre delen av bränslet strax under spridarna.

Kända spridare innefattar vanligen ett gallerverk av korsvis anordnade, pä högkant stående plätband, som bildar i huvudsak fyrkantiga celler. Inuti cellerna anordnas vanligen fasta och/eller fjädrande stöd för allsidig positionering av de genom cellerna löpande bränslestavarna eller styrstavsledrören. Det är känt att utföra spridare för kokarvattenreaktor med av hylsor sammansatt gallerverk där hylsorna exempelvis är utförda av ett eller flera material med skild fjäderkonstant. Ett gallerverk av tva material visas i den svenska patentskriften 469 047. Ett av hylsor sammansatt gallerverk ger mer gynnsamma kylförhällanden än ett av plätband sammansatt gallerverk genom att hylsorna ges en, ätminstone i huvudsak, cirkulär form som bättre kan ansluta runt de normalt runda bränslestavarna. De bättre kylegenskaperna beror pä att vatten tenderar att samlas där plätbanden korsar varandra, dvs mellan stavarna och pä avständ frän dessa, medan vid hylsceller ansamlas vattnet vid hylsans väggar som är 510 816 anordnade närmare bränslestavarna varvid vattnet kan utnyttjas bättre.

En annan nackdel med spridare med gallerverk av plätband är att de är dyrbara och komplicerade att tillverka.

Kända spridare är ofta utförda helt eller delvis i Inconel som är ett material med god hàllfasthet och goda egenskaper vad avser bearbetning vid tillverkning av spridare. Det är dock önskvärt att framställa spridare av ett material med mindre förmàga att absorbera neutroner, dvs ett lágabsorberande material, t ex en Zirkoniumlegering. Spridare av Zirkoniumlegering är en fördel ur reaktivitetsekonomisk synpunkt. Spridare av ett làgabsorberande material är dessutom mindre radioaktiva efter bestràlning vilket är en fördel vid hantering av dessa efter reaktordrift.

En svårighet med Zirkoniumlegeringar är att materialet relaxerar vid bestràlning vilket medför avsevärd reducering av fjäderkraften pà kort tid. De enligt känd teknik fasta stöden är vanligen utformade med en punktanliggning mot bränslestaven eller med en linjeanliggning som sträcker sig över en mindre del av spridarens höjd. Punktanliggning är ofördelaktigt ur nötningssynpunkt. De fasta stöden är vanligen kompletterade med ett eller flera fjädrande stöd för allsidig positionering av de genom cellerna löpande bränslestavarna.

Avsikten med uppfinningen är att àstadkomma spridare som har god marginal mot nötning, ástadkommer god kylning och som är enkel att tillverka och dessutom är möjlig att utföra i Zirkoniumlegering.

UPPFINNINGEN , FÖRDELAR Föreliggande uppfinning avser en bränslepatron och en spridare avsedd att pà ett flertal nivàer sammanhàlla làngsträckta element i en kärnreaktor av kokarvattentyp. Spridaren ° 510 816 innefattar ett av celler sammansatt ortogonalt gallerverk, där cellerna är rörformiga och anordnade sä att det mellan cellerna är utbildade flödeskanaler. Cellerna är invändigt försedda med fyra fasta stöd vilka ger en allsidig positionering av de làngsträckta elementen. Stöden är utformade i cellens väggyta av mot cellens centrum vettande làngsträckta präglingar. stöden är fjädringsbara ut i flödeskanalerna och cellerna är utförda i en Zirkoniumlegering.

Stöden är anordnade jämnt fördelade utmed hylsans omkrets, företrädesvis med 90° vinkeldelning. Stöden i sig är inte fjädrande men tillsammans med hylsan bildar de en fjädrande enhet. Stöden sträcker sig företrädesvis utmed hela hylsans längd.

De invändiga stöden kan alternativt utgöras av fyra stöd varav minst tva är utformade som självständigt fjädrande stöd och minst ett utgörs av ett stöd i form av en làngsträckt prägling sá att fyra stöd ger en allsidig positionering av det längsträckta elementet. De självständigt fjädrande stöden utförs fördelaktigast av ett material som är mer fjädrande än hylsmaterialet. Hylsmaterialet kan exempelvis utföras i en Zirkoniumlegering.

Präglingen utgör ett stöd avsett att anligga mot det i hylsan inskjutna làngsträckta elementet. Den lángsträckta anliggningsytan minskar risken för nötning i spridaren dá det lángsträckta elementet förhindras att vibrera i denna jämfört med ett stöd med punktanliggning eller kort anliggningslängd.

Hylsornas utformning medger en enkel framställningsprocess. Vid tillverkning av hylsorna avdelas dessa, i lämpliga längder, fràn ett längsträckt rör varefter präglingarna formas av en invändig dorn och ett yttre verktyg. De präglade rörbitarna, hylsorna, sammanfogas därefter i ett gallerverk, exempelvis medelst punktsvetsning.

Spridaren kan utföras med differentierade hylslängder. Det är särskilt fördelaktigt att förse spridarens nedre del, dvs sprid- arens flödesinlOpp, med differentierade hylslängder sä att 510 816 6» kylmedlet möter spridarna i skilda plan beroende pä var i bränslepatronens tvärsnitt kylmedlet strömmar. Hylsorna är indelade i minst tvä grupper, företrädesvis tre, där hylsorna inom en grupp har samma längd men där de skilda grupperna innefattar hylsor av olika längd. Grupperna är anordnade att innefatta hylsor vid spridarens periferi och hylsor i spridarens centrala del och eventuellt hylsor anordnade mellan periferin och den centrala delen. Gruppernas längder differentieras fördelaktigast sä, att det uppät strömmande mediet först när den grupp som är anordnad närmast spridarens periferi och sist den grupp som är anordnad i spridarens centrala del och eventuellt däremellan den grupp som utbildas mellan spridarens centrala del och dess perifera del.

Det är fördelaktigt att differentiera spridarnas hylslängder vid kylmedlets inlopp eftersom det motverkar att kylmedlet vid inloppet pä grund av stora hydrauliska krafter förstör kylmedelsfilmen kring de längsträckta elementen. Dä stavar med, i ett knippe relativt sett, större vibrationsrisk. t ex perifera tryckvattenreaktorstavar, förses med de längre hylsorna ges en positiv inverkan pä nötningsmarginalen.

Spridarcellernas utlopp anordnas med fördel i samma plan för ästadkommande av god turbulens hos kylmedlet.

De enskilda spridarcellerna kan förses med en eller flera blandningsfenor för skapande av turbulens och därmed bättre kylning av bränslestavarna. Blandningsfenorna anordnas vid cellens, i brànslepatronen anordnande, övre kant i form av tappar utskjutande frán den övre kanten och böjda mot eller fràn cellens centrum eller i form av flikar utstansade ur cellens väggmaterial och böjda i en riktning mot eller fràn cellens Centrum .

Varje spridare kan förses med konventionella konstruktionsdetaljer sàsom en hela knippet omfattande fyrsidig ram eller kjol. lO *g 510 816 Fördelen med uppfinningen är att de individuella hylsorna är enkla att tillverka genom att stöden för fixering av det längsträckta elementet i gallerverkets celler är integrerade i hylsans väggmaterial.

Utformningen av hylsans stöd i form av längsträckta präglingar medger en stor anliggningsyta mot bränslestaven vilket minskar risken för vibrationer och därmed förbundna nötningsskador. I de fall hylsmaterialet ej är genombrutet hindras vibrationsorsakande tvärströmning av kylmediet i spridaren.

Hylsan har ett i flödesriktningen litet tvärsnitt vilket utgör ett ytterst litet flödesmotständ och ger därmed endast upphov till ett lagt tryckfall. Det laga tryckfallet medger att spridarna kan anordnas tätare i bränslepatronen jämfört med konventionella spridare varvid risken för vibration och nötningsskador ytterligare minskas samtidigt som kylningen förbättras. Dessutom blir bränslestavknippets vikt per spridare lägre vilket är särskilt fördelaktigt vid transport av bränslestavknippen till och frän reaktoranläggningar.

En minskad nötningsrisk erhàlls säledes främst beroende pä följande faktorer.

- Den länga anliggningsytan mellan hylsans invändiga stöd och bränslestavarna minskar risken för vibration.

- I de fall hylsmaterialet utförs ogenombrutet förhindras tvärströmningar i spridaren vilket minskar risken för vibrationer.

- Spridaren ger upphov till ett lagt tryckfall genom hylsmaterialets ringa tvärsnitt i flödesriktningen varvid spridarna kan anordnas tätare längs med knippet och pà sä sätt ge bättre stöd ät stavarna sä att risken att dessa börjar vibrera minskas. 510 816 i ¥ Spridaren enligt uppfinningen är enkel att tillverka och alla ingàende hylsor kan utformas likadana, möjligen med differentierade längder.

RITNINGSFIGURER Uppfinningen förstås enklast genom hänvisning till bifogade ritningsfigurer.

Figur 1 visar en bränslepatron av kokarvattenreaktortyp med spridare enligt uppfinningen.

Figur 2 visar en brànslepatron av tryckvattenreaktortyp med spridare enligt uppfinningen.

Figur 3 visar en spridare enligt uppfinningen.

Figur 4 visar en utföringsform av en hylsa till en spridare enligt uppfinningen vilken hylsa innefattar fyra invandiga stöd.

Figur Sa-k visar en utforingsform av en hylsa till en spridare vilken hylsa är försedd med alternativa utföringsformer av blandningsfenor. Figur Sa visar en hylsa i perspektiv. Figur Sb, Sd, Sf, Se, Sg, Si, Sh, Sj visar en hylsa i en vy fràn ovan medan figur Sc, Sk visar motsvarande hylsor i ett snitt fràn sidan.

Figur 6 visar ett exempel pá en ram avsedd att omsluta en spridare enligt uppfinningen och avsedd att anordnas i en reaktor av tryckvattentyp.

Figur 7 visar ett exempel pà en kjol avsedd att omsluta en spridare enligt uppfinningen och avsedd att anordnas i en reaktor av kokarvattentyp.

Figur 8a visar ytterligare en utföringsform av en hylsa till en spridare enligt uppfinningen, vilken hylsa innefattar tvà självständigt fjädrande stöd. Figur Sb visar det fjädrande -Q 510 816 stödet i en vy framifràn. Figur 8c visar det fjädrande stödet i ett längsgäende tvärsnitt.

Figur 9 visar en spridare enligt uppfinningen vars hylsor vid spridarens nedre kant getts differentierade längder.

UTFöRINGsExEMPEL Ur figur l framgär en bränslepatron l av kokarvattenreaktortyp som innefattar en läng rörformig behällare, med rektangulärt tvärsnitt, benämnd höljerör 2. Höljeröret 2 är öppet i bäda ändar, sä att det bildas en genomgäende strömningspassage, genom vilken reaktorns kylmedel strömmar. Bränslepatronen l innefattar ett stort antal likaledes länga rorformiga i ett knippe parallellt anordnade bränslestavar 3, i vilka är anordnade kutsar 4 av nukleärt bränsle. Bränslestavarna 3 sammanhälls upptill av en topplatta 5 och nedtill av en bottenplatta 6.

Bränslestavarna 3 hälls medelst spridare 7 pä avständ frän varandra och hindras frän att böja sig eller vibrera dä reaktorn är i drift.

Ur figur 2 framgär en bränslepatron l av tryckvattenreaktortyp som innefattar ett antal längsträckta rörformiga parallellt anordnade bränslestavar 3 och styrstavsledrör 8. I bränslestavarna 3 är anordnade kutsar 4 av nukleärt bränsle.

Styrstavsledrören 8 sammanhälls upptill av en topplatta 5 och nedtill av en bottenplatta 6. Bränslestavarna 3 hálls medelst spridare 7 pä avständ frän varandra.

I figur 3 visas en spridare 7 med ett ortogonalt gallerverk sammansatt av hylsor 9 där varje hylsa 9 är avsedd att positionera ett genom denna löpande längsträckt element, t ex en bränslestav 3 eller ett styrstavsledrör 8.

I figur 4 visas en hylsa 9 avsedd att sammanfogas med andra likadana hylsor 9 till ett gallerverk enligt figur 3. Hylsan 9 är rörformig och är invändigt försedd med fyra stöd. Stöden utgörs av mot hylsans 9 centrum vettande längsträckta präglingar 510 816 /Û vilka ger en allsidig positionering av det längsträckta elementet 3, 8. Stöden är anordnade jämnt fördelade utmed hylsans 9 omkrets med 90° vinkeldelning. Stöden sträcker sig längs med hela hylsans 9 längd.

I figur Sa visas en hylsa 9 särskilt lämplig för användning i en spridare 7 för tryckvattenreaktorbränsle (kan dock även användas vid ett kokarvattenreaktorbränsle). Hylsan 9 är försedd med tvä blandningsfenor ll utformade som tappar sträckande sig frän hylsans 9 övre kant och vinklade ut frán hylsans 9 centrum för ästadkommande av turbulens hos det förbi strömmande kylmedlet för förbättring av kylningsegenskaperna.

I figur Sb, Sc visas en hylsa 9 med blandningsfenor ll i form av flikar utstansade ur hylsans 9 väggmaterial vilka flikar är böjda längs med en axel vinkelrät mot hylsans 9 längsaxel och in mot dess centrum. Blandningsfenorna ll är anordnade centralt i de ytor hos hylsan 9 som i ett spridargaller vetter mot angränsande hylsor 9.

I figur Sd, Se visas en hylsa 9 med blandnigsfenor ll av samma typ som i figur Sb, Sc men med en större utsträckning i en riktning tvärs hylsans 9 längsaxel.

I figur Sf, Sg visas en hylsa med blandningsfenor ll av samma typ som i figur Sd, Se men förskjutna i sidled.

I figur Sh, Si och Sj, Sk visas hylsor 9 med blandningsfenor ll anordnande i en del av den präglade ytan 10 i hylsan 9.

Blandningsfenorna ll är böjda kring en axel med en viss vinkel mot hylsans 9 längsaxel och ut frän hylsans 9 centrum.

Hylsorna 9 enligt figur Sa-k kan förses med en eller flera av de visade balndningsfenorna ll som kan utföras med rak eller böjd form. En hylsa 9 kan förses även med kombinationer av olika typer av blandningsfenor ll. ff 510 816 Utföringsformerna enligt figur 5b-5k är särskilt fördelaktiga ur tillverkningssynpunkt. De är ocksä fördelaktiga ur monteringssynpunkt dä denna typ av blandningsfenor 11 är mindre känsliga för äverkan.

I figur 6 visas en ram 12 särkilt lämplig för en tryckvattenreaktorspridare 7. I en reaktor av tryckvattentyp stöder bränslespatronerna 1 mot varandra via anliggning mellan spridarna 7. Detta ställer stora krav pä spridarna 7 som mäste vara styva och klara upptagning av stora krafter. Ramen 12 är upptill och nedtill försedd med flikar l2a vilka sträcker sig fràn ramens 12 övre respektive undre kant och är böjda in mot ramens 12 centrala del. Den visade ramen 12 är exempelvis avsedd att anordnas kring ett spridargaller med hylsor 9 av den typ som visas i figur 4 eller 5.

I figur 7 visas en kjol 13 särskilt lämplig för en reaktor av kokarvattentyp. Kjolen 13 är utförd att anordnas som en under hylsorna 9 hängande del, där kjolens 13 övre del fixeras vid de mot kjolen 13 gränsande hylsornas 9 nedre kant. Kjolens 13 övre del är försedd med ett flertal tappar 14 avsedda att fästas vid hylsorna 9. Tapparna 14 sträcker sig i flödesriktningen och är nàgot böjda in mot kjolens 13 centrala del. Kjolens 13 övre del är även försedd med ett antal fenor 15 avsedda att styra genom bränslepatronen 1 strömmande kylmedel mot knippets centrala delar. Kjolens 13 nedre kant är ocksä försedd med tappar 15a vilka är böjda mot kjolens 13 centrala del och avsedda att mekaniskt styra in knippet vid införsel i/utförsel ur höljeröret 2.

I figur 8a visas hur de invändiga stöden i en hylsa 9 alternativt kan utgöras av tvä självständigt fjädrande stöd 16 och tvä stöd i form av längsträckta präglingar 10 för en allsidig positionering av det längsträckta elementet 3, 8. De fjädrande stöden 16 utförs fördelaktigast av ett material som är mer fjädrande än hylsmaterialet. De fjädrande stöden 16 anordnas intill varandra. 510 816 Ii Ur figur 8b, 8c framgàr att ett fjädrande stöd 16 är utformat som ett längsträckt plätband l6a avsett att anordnas i eller över en öppning 9a i hylsväggen. Det längsträckta plätbandets l6a centrala del är försedd med en utbuktning l6b i vilken en försänkning l6c i samma rikting som utbuktninngen l6b är anordnad, vilken försänkning l6c är avsedd att fjädrande anligga mot det genom hylsan 9 löpande làngsträckta elementet 3, 8.

Ur figur 9 framgàr en spridare 7 vars nedre del kännetecknas av differentierad längd hos hylsorna 9. Hylsorna 9 är indelade i tre grupper, där hylsorna 9 inom en grupp har samma längd men där de skilda grupperna innefattar hylsor 9 av olika längd.

Grupperna är anordnade att innefatta hylsor 9 vid spridarens 7 periferi, hylsor 9 i spridarens 7 centrala del och hylsor 9 anordnade mellan periferin och den centrala delen. Gruppernas längder är differentierade sä, att det uppàt strömmande mediet först när den grupp som är anordnad närmast spridarens 7 periferi och sist den grupp som är anordnad i spridarens centrala del. Spridarens utlopp är anordnat i ett och samma plan.

Det är lämpligt att utföra spridarramarna 12, l3 i en Zikoniumlegering.

Claims (1)

1. 0 15 /3 510 816 PATENTKRAV l. Spridare (7) avsedd att pà ett flertal nivàer sammanhàlla làngsträckta element (3, 8) kokarvattentyp, vilken spridare (7) innefattar ett av celler i en kärnreaktor av (9) sammansatt ortogonalt gallerverk, där cellerna är rörformiga och anordnade sa att det mellan cellerna är utbildade flödeskanaler kännetecknad av att cellerna invändigt är försedda med fyra fasta stöd vilka ger en allsidig positionering av de làngsträckta elementen, och att stöden är utformade i cellens väggyta av mot cellens centrum vettande (10) fjädringsbara ut i flödeskanalerna och att cellerna làngsträckta präglingar och av att stöden är (9) är utförda i en Zirkoniumlegering.