SE509202C2 - Spridare och bränslepatron för en kokarreaktor - Google Patents

Description

10 509 202 flertal spridare fördelade utmed bränslepatronen i längdriktningen.

Kända spridare innefattar ofta en yttre spridarram och innanför denna spridarram korsvis anordnade, på högkant stående plåtband som bildar i huvudsak fyrkantiga celler. Det är även vanligt att cellerna är utformade av hylsor. Inuti cellerna anordnas fasta respektive fjädrande stöd för de genom cellerna löpande bränslestavarna.

Eftersom kylmedlet i en kärnreaktor av kokarvattentyp (BWR) kokar bildas ett förhållande mellan vatten och ånga som varierar axiellt i hàrden. Kylmedlet strömmar från botten och uppåt i härden. I botten av härden är kylvattnets temperatur lägre än koktemperatur och befinner sig således i enfas, dvs mellanrummet mellan bränslestavarna i den nedre delen av patronen är vid drift uppfyllt med icke kokande vatten. Längre upp där kylmedlet nått koktemperatur överförs vatten till ånga och kylmedlet befinner sig i två faser. Ju längre upp i harden desto högre är andelen ånga i förhållande till andelen vatten. I härdens övre del är bränslestavarna endast täckta med en tunn film av vatten, utanför vilken ånga blandat med vattendroppar strömmar.

Om varmeflödet från en bränslestav blir mycket stort i förhållande till kylflödet kan risk föreligga att torrkokning, (dryout) uppträder, dvs vätskefilmen blir så tunn att den inte förmår hålla samman. Vätskefilmen bryts upp och det bildas torra väggpartier, vilket lokalt leder till en avsevärt sämre värmegenomgång mellan bränslestaven och kylmedlet med en kraftigt förhöjd väggtemperatur hos bränslestaven som följd. Den förhöjda väggtemperaturen kan leda till att skador med allvarliga följder uppträder på brànslestavarna. Risken för torrkokning är störst i bränslets övre del där andelen ånga ar som störst. Även bränslepatronens vägg, dvs insidan av det höljerör som omger fyra likadana knippen av bränslestavar som sammanhålls av spridare, är belagd med en vattenfilm. Denna film år emellertid lO 509 202 inte helt nödvändig dä höljerörets vägg är väsentligt mer okänslig för överhettning jämfört med bränslestavarna.

Spridarna päverkar kylmedlets strömning och därmed bränslets kylning. Det är känt att i ett omräde strax under spridaren där kylmedlet ännu inte har passerat spridaren, sker en försämring av vattenfilmen pä bränsletavarna, medan i ett omräde över spridaren, där kylmedlet just har passerat spridaren, istället sker en förstärkning av vattenfilmen. Förstärkningen av vattenfilmen 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.

Begränsande för dryouteffekten, dvs den totala effekt som kan tas ut ur bränslepatronen utan att risk för torrkokning föreligger, är vanligen den effekt som kan tas ut frän de i spridarens hörn anordnade bränslestavarna. Dessa bränslestavar, i fortsättningen benämnda hörnstavar, är känsliga eftersom de är omgivna av endast en liten mängd kylmedel, vilket begränsar belastningsmöjligheten samtidigt som det utanför höljerörets hörn finns icke kokande vatten med god modereringsförmäga, varigenom effekten i hörnstavarna tenderar att bli för hög. Ett lägre effektuttag frän hörnstaven kan ästadkommas med en lägre anrikning i denna. Det är dock inte önskvärt att sänka anrikningsnivän alltför mycket eftersom samtidigt eftersträvas en jämn anrikningsutläggning i bränslepatronen och ett sä högt effektuttag som möjligt.

Ett sätt att förbättra kylningen är att minska avständet mellan spridarna, sä att avständet blir litet i bränsleknippets övre hälft, där känsligheten är störst. Det kräver dock att tryckfallet i kylmedlet ej ökar alltför mycket över spridarna sä att kyleffekten minskar.Normalt räcker inte en spridares positiva kyleffekt ända upp till nästa spridare. Torrkokning uppkommer, som tidigare beskrivits, precis under närmsta nedströms liggande spridare. När en extra spridarnivä införs i knippet bör inte det totala tryckfallet ökas i bränsleknippet, 2C 509 202 vilket innebär att den enskilda spridarens tryckfall i sä fall mäste minskas.

Ett ändamäl med uppfinningen är att förbättra kylningen av bränslestavarna, särskilt av de bränslestavar som är anordnade vid spridarnas hörn, och förbättra kylningen av ätminstone den övre delen av bränslestavarna sä att risken för torrkokning minskar. En minskad risk för torrkokning innebär att bränslet kan utnyttjas effektivare vilket medför ekonomiska fördelar.

UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Föreliggande uppfinning avser en bränslepatron och en spridare för en kokarvattenreaktor i vilken kylningen av ätminstone dess övre del förbättras och särskilt av spridarnas hörnstavar sa att risken för torrkokning minskas- Den förbättrade kylningen uppnäs genom att ätminstone en del av bränslepatronens spridarramar utformas enligt den kännetecknande delen i patentkrav 1.

Spridarramen enligt uppfinningen innefattar ett första parti anordnat pà ett avständ fran höljerörets inneryta i bränslespatronen och ett andra parti, som jämfört med det första partiet, är anordnat pä ett kortare avständ frän höljerörets inneryta. Spridarramen utgörs vanligen av fyra rektangulära ramdelar som är sammanfogade vid sina respektive kortsidor med 90° delningsvinkel bildande en spridarram för omslutning av spridarceller. Det andra partiet är vid spridarramens hörn, dvs vid varje ramdels kortsida, anordnat att leda in kylmedel till insidan av ramdelen varefter kylmedlet päträffar en mot bränslepatronens längdriktning snedställd kant som är utbildad mellan det första och det andra partiet och anordnad sa att kylmedlet bringas att avlänkas i riktning mot hörnstaven genom att den snedställda kanten sluttande löper i riktning nedströms spridaren och mot spridarens närmast intilliggande hörn. Denna avlänkning av kylmedlet mot hörnstaven innebär att mer kylmedel när hörnstavarna vilket i sin tur innebär att det genomsnittliga effektuttaget frän bränslepatronen kan ökas. 509 202 Spridarramen är vid hörnen vidare försedd med i strömningsriktningen längsgäende urtag som är begränsade med en övre och en undre utskjutande del för förbindning av en ramdel med en annan, eventuellt via en cell. Materialreduceringen i hörnpartiet medger bättre kylning av hörnstaven genom mindre friktion, dvs lägre strömningsmotständ, mellan det uppät strömmande kylmedlet och spridarramen och mer kylmedel till hörnstaven sä att effektuttaget fan denna kan ökas utan att risken för torrkokning ökas. Materialreduceringen medför ocksa minskad tvärsnittsyta i strömningsriktningen. Samtliga ramdelar utformas med fördel väsentligen likadana.

Ramdelens övriga utformning kan ske pä manga sätt av vilka nägra redovisas under utföringexempel. Åtminstone den övre delen av bränslepatronen förses med ovan beskrivna typ av spridare, dvs den del av bränslepatronen där kylmedelet befinner sig i hög grad av tväfas tillstànd.

I de fall flera spridarniváer, än vad ovan angivna spridare är avsedda för, väljs, kan för att nedbringa det totala tryckfallet, bränslepatronens nedre del förses med lägtryckfallsspridare. Detta förfarande är möjligt eftersom risk för torrkokning inte föreligger där eftersom kylmedlet väsentligen befinner sig i enfas.

Fördelen med bränslepatronen och spridaren enligt uppfinningen är att de medger en effektivare kylning av särskilt spridarnas hörnstavar, varvid effektuttaget frän dessa kan ökas och därmed effektuttaget frän hela bränslepatronen. Vidare är spridarramens tvärsnittsyta i strömningsriktningen minimerad genom bland annat de öppna hörnen vilket medger ett lagt tryckfall över respektive spridare vilket i sin tur ger möjlighet till insättning av extra spridarnivaer. I de fall spridaren enligt uppfinningen i bränslepatronen kombineras med nagon annan typ av spridare med mycket lägt tryckfall kan tryckfallet per spridare ytterligare sänkas och ytterligare spridarniväer insättas. 509 202 RITNINGSFIGURER Uppfinningen förstàs enklast genom hänvisning till bifogade ritningfigurer.

Figur l visar en branslepatron med spridare enligt uppfinningen.

Figur Za-b visar i perspektiv en spridarram enligt uppfinningen vilken ram omger ett gallerverk av celler.

Figur 3 visar i perspektiv ett alternativt utföringsexempel av en spridarram.

Figur 4 visar en branslepatron med spridare av olika typ anordnade i den övre respektive nedre delen.

Figur Sa-c visar i perspektiv olika utföringsexempel av spridarramar för lagtryckfallsspridare.

UTFÖRINGSEXEMPEL Ur figur l framgår en bränslepatron l enligt uppfinningen som innefattar en lang rörformig behàllare, ofta med rektangulärt eller kvadratiskt tvärsnitt, benamnd höljerör 2. Höljeröret 2 är öppet i bada ändar, sá att det bildas en genomgående strömningspassage, genom vilken reaktorns kylmedel strömmar.

Brànslepatronen l innefattar ett stort antal likaledes lànga rörformiga parallellt anordnade bränslestavar 3, i vilka ar anordnade kutsar 4 av nukleärt bränsle. Branslestavarna 3 sammanhàlls upptill av en topplatta 5 och nedtill av en bottenplatta 6. Brànslestavarna 3 hàlls medelst spridare 7 pá avstånd fran varandra och hindras fran att böja sig eller vibrera då reaktorn ar i drift.

Ur figur 2a framgàr att en spridare 7 innefattar en yttre spridarram 8, med ramdelar 8a-d, och innanför denna spridarram 8 anordnade celler 9. Inuti dessa celler 9 anordnas exempelvis }4 LD °f 509 202 fasta respektive fjädrande stöd för de genom cellerna 9 löpande bränslestavarna 3.

Spridarramen 8 innefattar vanligen ett pä högkant stående plätband. Vid ramens 8 övre del är anordnade ett flertal instyrningsflikar 12 för att inte knippet, dvs bränslestavarna 3 införda i spridarna 7, vid sitt införande i eller utdragningen ur höljeröret 2 skall fastna. Instyrningsflikarna 12 utbildas av fràn spridarramens 8 nedströms liggande kant utskjutande delar vilka bockats mot spridarens 7 centrum kring en med dess kant sammanfallande vikaxel, alltsa en axel vinkelrät mot strömningrikningen. Instyrningsflikarna 12 medför att spridarens 7 strömningsmotständ ökas eftersom en stor del av dess sidoyta presenteras tvärs strömningriktningen. Det ökade strömningsmotständet nedströms spridaren 7 är fördelaktigt dä det skapar en viss turbulens vilken underlättar värmeöverföringen mellan bränslestavarna 3 och kylmedlet och därmed bevarar kylmedelfilmen längs med bränslestavarna 3.

Spridarramen 8 är till stor del utformad öppen i bottenänden genom anordnande av öppningar 13 och vertikalvikta flikar, benämnda instyrningsnabbar 14. Den öppna bottenänden medför att störning av kylmedelflödet i alltför hög utsträckning kan undvikas och att tryckfallet över spridaren 7 kan begränsas.

Instyrningsnabbarna 14 är avsedda för instyrning av knippet i höljeröret 2. Instyrningsnabbarna 14 innefattar en platflik eller liknande vars plan är anordnat parallellt med kylmedlets strömningsriktning och vars ena sidokant sluttande löper fràn ramens 8 nedre kant i riktning nedströms spridaren 7 mot spridarens 7 centrum. Dá instyrningsnabbens 14 sidoyta anordnas parallellt med strömningsriktningen kommer endast instyrningnabbens 14 genomskärningsarea vinkelrätt mot ramens 8 plan och strömningsriktningen att utgöra ett hinder för kylmedlets genomströmning av knippet och alltsa ej ge upphov till nämnvärt strömningsmotständ. 509 202 Ramdelen 8 är försedd med ett första och ett andra parti 15, 16 anordnade på skilda avstånd från höljerörets 2 inneryta bildande ett distanselement mellan bränslestavarna 3 och höljerörets 2 inneryta i bränslepatronen 1. Det andra partiet 16 utgör en utbuktning i riktning mot höljeröret 2 varvid det befinner sig på kortare avstånd från holjeröret 2 än det första partiet 15.

Ur figur 2b framgår ett alternativt utförande av spridaren 7 visad i figur 2a. Spridaren 7 i figur Zb är avsedd att användas vid en bränslepatron 1 innefattande åtminstone en icke stavbesatt position belägen vid ett hörn. Spridaren 7 kan då anpassas med ett reducerat hörnparti och en extra ramdel 8e.

Ramdelen 8e innefattar en lång, inåt spridarcentrum lutande, flack yta för instyrning av vatten till bränslestavarna 3.

Ur figur 2a, 2b och 3 framgår att vid ramens 8 nedre kant är öppningarna 13 respektive 23 anordnade att leda in kylmedel som strömmar uppåt längs med höljeröret 2 till insidan av »spridarramen 8. Vid ramens 8 hörn leds kylmedlet in innanför spridarramen 8 via öppningen vid den invikta instyrningsnabben 14. Kylmedlet leds till en kant 18 som i förhållande till bränslepatronens 1 längdriktning är snedställd och utbildad mellan det första och det andra partiet 15, 16 vilken kant 18 bringar kylmedlet att avlänkas i riktning mot den bränslestav 3 som är anordnad vid spridarramens 8 hörn. Den snedställda kanten 18 löper i riktning nedströms spridaren 7 och mot spridarramens 8 hörn.

Ramdelens 8b kortsida är vid hörnet försedd med ett längs strömningsriktningen gående urtag 19 vilket upptill och nedtill begränsas av utgående delar 20 vilka är avsedda att anordnas vid en spridarcell 9 eller vid en annan ramdel 8a, 8c eller 8d.

Ur figur 2a och 2b framgår ett utföringsexempel på en spridarram 8 där vid en ramdels 8b mittparti kylmedlet förs in till ramens 8 insida via öppningarna 13 och vidare uppåt längs med spridarramen 8 tills det påträffar på en mot bränslepatronens 1 längdriktning tvärgående kant 21 som är utbildad mellan det lO fx) U 1 509 202 första och det andra partiet 15, 16 varvid kylmedlet bromsas upp och riktas in mot bränslestavarna 3 under det att trycket sänks.

I det andra partiet 16 är även anordnade flaskliknande öppningar, delvis i materialbesparande syfte, med "flaskhalsen“ vänd nedät och "flaskbotten" vänd uppät. Dessa flaskliknande öppningar utgör en förlängning nedströms av nägra av öppningarna 13 och hjälper till att leda kylmedel till ramens 8 insida vid "flaskbotten".

Ur figur 3 framgär ett annat utföringsexempel pä en spridarram 8 vilken liksom den i figur 2 visade är försedd med ett första och ett andra parti 15, 16 där det första partiet 15, i bränslepatronen 1, är anordnat pä ett större avständ frän höljeröret 2 än det andra partiet 16. Ramdelens 8a mittparti är försett med omväxlande första och andra partier 15, 16 anordnade parallellt med strömningsriktningen, där det i de första partierna 15 är anordnade öppningar 23 där kylmedel med hjälp av instyrningshuvar 26 leds in till ramens 8 insida. Kylmedlet leds även till ramdelens 8a insida via nederkanten av de andra partierna 16 varefter det strömmar uppät tills det päträffar en kant 21 utbildad mellan det första och det andra partiet 15. 16 vilken är anordnad i en riktning tvärs strömningsriktningen, varvid kylmedelflödet avlänkas in mot spridarens 7 centrum för kylning av de centralt anordnade bränslestavarna 3. För att ytterligare underlätta denna avlänkning ansluts till det andra partiet 16 en läng, flackt inät spridarens centrum lutande, instyrningsyta 24. Den länga och flacka vinkeln säkerställer lagt tryckfall och instyrningsytorna har god mekanisk hällfasthet vid utlyftning av spridarna 7 och de i dessa anordnade bränslestavarna 3 ur höljeröret 2.

I figur 4 visas en fördelaktig utföringsform av uppfinningen där en branslepatron 1 i nedre delen är anordnade spridare 7 med lagt tryckfall, sä kallade làgtryckfallsspridare.

Lägtryckfallsspridarnas ramar 25 kan t ex vara utformade sä som visas i figur Sa-c. Dessa lägtryckfallsspridarramar innefattar likaledes ett första och ett andra parti 15, 16 där det första partiet 15, i bränslepatronen 1, är anordnat pä ett större /C 509 202 avstànd frán höljerörets 2 inneryta, an det andra partiet 16.

Spridarramen 25 innefattar omväxlande de vertikalt ställda första och andra partierna 15, 16. Ramen 25 innefattar öppningar 23 i materialbesparande syfte. Làgtryckfallsspridarramen 25 är bade upptill och nedtill försedd med invikta instyrningsnabbar 14 avsedda för instyrning vid i- och urlastning av höljeröret 2.

Instyrningsnabbarna 14 är anordnade parallella med flödet varvid spridarens 7 strömningsmotstànd ar minimalt.

Det ar lämpligt att utföra spridarramarna i materialet inconel eller i zirkaloy.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 5Û9 202 PATENTKRAV

1. Spridare (7) för att pà ett flertal nivàer sammanhàlla längsträckta bränslestavar (3) omslutna av ett höljerör (2) anordnat att genomströmmas av kylmedel i en bränslepatron (1) för en kokarvattenreaktor, vilken spridare (7) innefattar ett flertal celler (9) för upptagande av bränslestavarna (3) som är omslutna av en yttre spridarram (8) som runt om är försedd med ett flertal öppningar (13, 23), kånnetecknad av att spridarramen (8) är försedd med strömningsriktande organ (18) som styr kylmedlet mot de bränslestavar (3) som är anordnade vid spridarens (7) hörn.

2. Spridare (7) enligt patentkrav 1, kännetecknad av att den yttre spridarramen (8) innefattar ett första parti (15) i bränslepatronen (1) anordnat pà avstånd från höljerörets (2) inneryta och ett andra parti (16) anordnat pà ett i jämförelse med det första partiet (15) kortare avstånd frán höljeröret (2), och att det strömningsriktande organet (18) är utbildat som en mot bränslepatronens (1) längdriktning snedställd kant pá spridarramens (8) insida mellan det första och det andra partiet (15, 16).

3. Spridare (7) enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att det strömningsriktande organet (18) sluttande löper i riktning från spridarens (7) hörn och uppströms spridaren (7).

4. Spridare (7) enligt patentkrav 1, kånnetecknad av att i spridarramens (8) hörnpartier är anordnade urtag (19) som upptill och nedtill begränsas av utskjutande delar (20). kånnetecknad av att den frán spridarens (7) nedströms liggande kant utskjutande delar vilka

5. Spridare (7) enligt patentkrav 1, innefattar instyrningsflikar (12) i sin tur innefattande är anordnade bockade mot spridarens (7) centrum kring en axel vinkelrät mot strömningsriktningen. 10 15 20 25 30 35 ll 509 202

6. Spridare (7) enligt patentkrav 1, kännetecknad av att vid spridarens (7) nedre kant är anordnade instyrningsnabbar (14) innefattande en plåtflik eller liknande vars plan är anordnat parallellt med kylmedlets strömningsriktning och vars ena sidokant sluttande löper från spridarramens (8) nedre kant i riktning nedströms spridaren (7) mot spridarens (7) centrum.

7. Spridare (7) enligt patentkrav 2, kännetecknad av att den innefattar en kant (21) utbildad mellan det första och det andra partiet (l5, 16) vilken är anordnad i en riktning tvärs strömningsriktningen.

8. Spridare (7) enligt patentkrav 7, kännetecknad av att den innefattar en instyrningsyta (24) i sin tur innefattande ett långt, flackt inåt spridarens (7) centrum lutande plan vilket sträcker sig nedströms spridaren (7) med utgångspunkt från kanten (21).

9. Spridare enligt patentkrav 2, kännetecknad av att i det andra partiet (16) är anordnad åtminstone en flaskliknande öppning vilken utgör en förlängning av öppningen (13) nedströms spridaren (7).

10. Spridare enligt patentkrav l, kânnetecknad av att den vid åtminstone ett hörn innefattar en lång, inåt spridarens centrum lutande, flack yta (8e).

ll. Bränslepatron (1) för en kokarvattenreaktor med en övre del med kylmedel i tvåfas och en nedre del med kylmedel väsentligen i enfas, vilken bränslepatron (1) innefattar ett långsträckt höljerör (2) anslutet till ett kylmedel avsett att genomströmma höljeröret (2), ett i höljeröret anordnat knippe av likaledes långsträckta bränslestavar (3) sammanhållna av ett flertal på skilda nivåer längs knippet anordnade spridare (7) var och en av dessa spridare (7) innefattande ett flertal celler (9) för upptagande av bränslestavarna (3), vilka celler (9) är omslutna av en yttre spridarram (8), kännetecknad av att den innefattar minst en spridare (7) enligt patentkrav 1. 10 15 20 509 202

12. Bränslepatron (1) for en kokarvattenreaktor innefattande ett längsträckt holjeror (2) anslutet till ett kylmedel avsett att genomströmma holjeroret (2), ett i höljeröret anordnat knippe av likaledes längsträckta bränslestavar (3) sammanhàllna av ett flertal pà skilda niváer längs knippet anordnade spridare (7) var och en av dessa spridare (7) innefattande ett flertal celler (9) for upptagande av bränslestavarna (3), vilka celler (9) är omslutna av en yttre spridarram (8), kännetecknad av att dess Övre del innefattar àtminstone en spridare (7) enligt patentkrav 1 och att dess nedre del innefattar ätminstone en spridare med lagt tryckfall, lagtryckfallsspridare (25).

13. Bränslepatron (1) enligt patentkrav 12, kännetecknad av att lägtryckfallsspridaren (25) innefattar ett forsta och ett andra parti (15, 16) där det forsta partiet (15), i bränslepatronen (1), är anordnat pa ett större avständ frän holjerörets (2) (16) är anordnade omväxlande, och där de forsta och andra vertikalt ställda inneryta, än det andra partiet (15, 16) och med sina respektive plan anordnade parallellt med kylmedlets partierna stromningsriktning.