SE1050455A1 - Styrstav för en kärnkraftlättvattenreaktor - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en styrstav utformad för en kärnkraftlättvat-tenreaktor av typen BWR eller PWR. Styrstaven innehåller ab-sorbatormaterial. Åtminstone 50%, med avseende på vikt, av detabsorbatormaterial som finns i styrstaven är i form av hafnium-hydrid. Uppfinningen avser även användning av en sådan styr-stav under drift i en kärnkraftlättvattenreaktor av typen BWR el-ler PWR. (FiQ 1)

Description

styrstav i en snabb reaktor. Artikeln beskriver att när borkarbid används så kan heliumgas genereras som kan leda til! att ab- sorbatormaterialet sväller vilket kan orsaka skada på det mate- rial som omger absorbatormaterialet. För att undvika detta pro- blem diskuteras i artikeln att i stället använda hafnium som ab- sorbatormaterial. Det noteras på sidan 2214 i artikeln att hafni- um har god absorptionsförmåga för termiska neutroner och att hafnium därför har använts i lättvattenreaktorer. Artikeln nämner (sid. 2214) att det inte finns någon erfarenhet av att använda hafnium som absorbatormaterial i en snabb reaktor eftersom neutroninfångningsförmågan för hafnium i en snabb reaktor är låg i jämförelse med i en lättvattenreaktor. Artikeln föreslår an- vändning av hafniumhydrid som absobatormaterial i en snabb reaktor eftersom hafniumhydrid har en bättre neutronabsorp- tionsförmåga än hafnium i en snabb reaktor eftersom hafnium- hydriden även fungerar som en neutronrnoderator, dvs. de snabba neutronerna bromsas och kan därför absorberas bättre.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en för- bättrad styrstav för en lättvattenreaktor. Ett syfte därvid är att förhindra dimensšonsförändringar som kan uppstå i styrstaven under drift och som därvid kan förorsaka olägenheter. Hafnium. är, som nämnts ovan, känt som absorbatormaterial i samband med lättvattenreaktorer. Emellertid kan hafnium ta upp väte un- der användningen i lättvattenreaktorn, dvs. hafniumet hydreras.

Vätet som tas upp kan i synnerhet härröra från det vatten som finns i lättvattenreaktorn. Upptaget av väte gör att absorbator- materiaiets dimension kan förändras under drift. Detta kan göra att risken för sprickor i styrstaven ökar. Detta kan också leda till att spänningar uppstår så att styrstaven kröker sig. Ett syfte med uppfinningen är att undvika sådana olägenheter. Ännu ett syfte med uppfinningen är att undvika bildandet av heiiumgas, som i synnerhet kan ske i styrstavar som innehåller borkarbid som absorbatormaterial.

Nämnda syften uppnås med en styrstav enligt föreliggande upp- finning. Styrstaven är utformad för en kärnkraftlättvattenreaktor av typen BWR eller PWR och styrstaven innehåller absorbator- material. Åtminstone 50%, med avseende på vikt, av det absor- batormaterial som finns i styrstaven är i form av hafniumhydrid.

När det anges att åtminstone 50%, med avseende på vikt, av absorbatormaterialet som finns i styrstaven är i form av hafni- umhydrid så inkluderas möjligheten att en viss del av styrstaven skulle kunna innehålla annat absorbatormaterial än hafniumhyd» rid. Emellertid är således åtminstone hälften av absorbatormate- rialet som finns i styrstaven i form av hafniumhydrid.

När det sägs att absorbatormaterialet ”år i form av hafniumhyd- rid” så menas antingen att detta materiai är ren hafniumhydrid eller om materialet innehåller andra ämnen så förekommer des- sa ämnen i hafniumhydriden endast i mycket liten omfattning, mindre än 5% med avseende på vikt, företrädesvis mindre än 1% med avseende på vikt. Exempel på sådana eventuella mind- re tillsatser i materialet kan ses t.ex. i ovan nämnda US ,330,589.

Genom att absorbatormaterialet enligt föreliggande uppfinning till stor del består av hafniumhydrid så minskas risken för att hafniumet tar upp ytterligare väte. Detta medför att risken för dimensionsförändringar hos absorbatormaterialet minskar. An- vändandet av hafniumhydrid, i stället för t.ex. borkarbid, gör dessutom att bildandet av heliumgas undviks.

Styrstaven enligt uppfinningen kan innehålla vattenkanaler som fungerar som moderator. Detta är emellertid inte nödvändigt om en tillräcklig mängd väte ingår i absorbatormaterialet. Eftersom väte fungerar som neutronmoderator så undviks nämligen beho- vet av vattenkanaler i styrstaven, vilket är en ytterligare fördel med uppfinningen.

Hafniumhydrid är iättare än hafnium vilket medför den ytterligare fördelen att styrstavens vikt kan reduceras.

En ytterligare fördel med uppfinningen är att gitterstrukturen hos hafniumhydrid är kubisk. Metalliskt hafnium har hex-agonal git- terstruktur. En kubisk gitterstruktur är mer stabil än en hexago- nal struktur i det neutronflöde som föreligger i reaktorn. Detta medför en ytterligare fördel, nämligen att risken för strukturför- ändringar förorsakade av neutronflödet reduceras.

Enligt en utföringsform av styrstaven enligt uppfinningen är för- hållandet mellan hafnium och väte i hafniumhydriden HfHX, där x ligger inom intervallet från 0,90y till 1,10y, där y är det värde på x som föreligger då det råder stökiometrisk jämvikt i hafnium- hydriden med avseende på mängden väte däri under de beting- elser som råder under drift i kärnkraftreaktorn av den typ för vil- ke-n styrstaven är utformad, dvs. när styrstaven används under drift i kärnkraftreaktorn.

Om hafniumhydriden innehåller för lite väte så kan väte, t.ex. härrörande från vatten, tas upp i-materialet. Om å andra sidan hafniumhydriden innehåller för mycket väte så kan väte, t.ex. i form av vätgas, avges från materialet. Med stökiometrisk jämvikt avses således i denna ansökan att inget av dessa bägge feno- men föreligger, eller, om de föreligger, att de tar ut varandra.

Andelen väte i hafniumhydriden som ger stökiometrisk jämvikt kan bero på yttre betingelser såsom t.ex. temperaturen som rå- der. Således definieras i ansökan stökiometrisk jämvikt med av- seende på betingelserna som råder under drift i kärnkraftreak- torn för vilken styrstaven är utformad.

Genom att enligt denna utföringsform mängden väte i hafnium- hydriden ligger omkring mängden för stökiometrisk jämvikt så reduceras risken för att väte tas upp. Detta betyder således att risken för dimensionsförändringar ytterligare reduceras. Dessut- om minskas risken för att väte avges. Detta minskar således ris- ken för att vätgas bildas. Om vätgas bildas så skulle detta kunna innebära att ett tryck utövas på absorbatormaterialet eller på omgivande material, vilket skulle kunna leda till skador.

Enligt en ytterligare utföringsform är x = y. Denna utföringsform har således fördelen att mängden väte i materialet är sådan att stökiometrisk jämvikt råder.

Enligt en ytterligare utföringsform är förhållandet mellan hafnium och väte i hafniumhydríden HfHX, där 1,40 s x s 1,80, företrä- desvis gäller att 1,50 s x s 1,70. Det har visat sig att en sådan mängd väte i hafniumhydríden är lämplig för att uppnå stökio- metrisk jämvikt under de betingelser som normalt råder i kärn- kraftlättvattenreaktorer.

Enligt en ytterligare utföringsform är hafniumhydríden i styrsta- ven i form av fasta kroppar. Sådana fasta kroppar av hafnium- hydrid fungerar speciellt bra som absorbatorkroppar.

Enligt en ytterligare utföringsform är de fasta kropparna åtmin- stone 1,0 cm långa. Det är fördelaktigt om kropparna inte är för små. Kropparna kan med fördel vara minst 3,0 cm långa, t.ex. minst 5,0 cm långa, i synnerhet i en styrstav för en BWR.

Enligt en ytterligare utföringsform har de fasta kropparna bildats utgående från hafniumhydrid i pulverform. Det har visat sig för- delaktigt att kropparna är bildade av hafniumhydrid i pulverform.

Sådana kroppar kan bildas genom t.ex. sintring eller genom varm isostatisk pressning (HIP).

Enligt en annan utföringsform är hafniumhydríden i styrstaven i pulverform. Som ett alternativ till fasta kroppar kan således haf- niumhydríden föreligga i pulverform. Detta kan förenkla fram- ställningsförfarandet eftersom inga fasta kroppar behöver bildas.

Enligt en ytterligare utföringsform innefattar styrstaven ett hölje inom vilket det finns åtminstone ett utrymme för absorbatormate- rial, varvid nämnda absorbatormaterial i form av hafniumhydrid finns i nämnda åtminstone ett utrymme. Eftersom hafniumhydri- den har sämre mekanisk stabilitet än rent metalliskt hafnium så anordnas hafniumhydriden lämpligen i ett hölje som tillhandahål- ler tillräcklig mekanisk stabilitet.

Enligt en ytterligare utföringsform är nämnda åtminstone ett ut- rymme utformat som en avlång kanal med väsentligen cirkulärt tvärsnitt. I s-ådana avlånga kanaler kan med fördel en tillräcklig och väldefinierad mängd hafniumhydrid anordnas.

Enligt en ytterligare utföringsform föreligger nämnda absorba- tormaterial i form av hafniumhydrid i form av en eller flera fasta kroppar med väsentligen cirkulärt tvärsnitt, varvid den fasta kroppen eller de fasta kropparna har en tvärsnittsdiameter d och varvid utrymmet har en tvärsnitts-diameter D där den fasta krop- pen eller de fasta kropparna är belägna och har tvärsnittsdiame- tern d, varvid D. - d s 0,20 mm, företrädesvis s 0,10 mm. Efter- som kroppen i form av hafniumhydrid väsentligen inte expande- rar under användning så behövs väsentligen inget expans-ionsut- rymme, vilket annars är nödvändigt när absorbatorkroppen t.ex. är gjord av B40. Företrädesvis är D konstant över hela längden på utrymmet och d konstant över hela längden på kroppen.

Enligt en ytterligare utföringsform är styrstaven utformad för en BWR. Absorbatormaterial i form av hafniumhydrid kan användas i PWR men det är speciellt fördelaktigt att använda materialet i en BWR.

Enligt en ytterligare utföringsform har styrstaven ett korsformat tvärsnitt och består av fyra styrstavsblad som möts i korsets centrum, varvid varje styrstavblad innefattar ett flertal avlånga utrymmen för absorbatormaterial och varvid nämnda absorba- tormaterial i form av hafniumhydrid är anordnat i nämnda ut- rymmen. En sådan korsformad styrstav är lämplig att användas i en BWR. Det är därvid fördelaktigt att anordna absorbatormate- rialet i kanaler i styrstavsbladen. Kanalerna kan antingen sträcka sig i styrstavens längdriktning eller i radiell riktning.

Enligt en ytterligare utföringsform har vart och ett av ett flertal av de avlånga utrymmena en längd L, varvid i vart och ett av dessa utrymmen nämnda absorbatormaterial i form av hafnium- hydrid föreligger i form av en fast kropp med längden l, varvid L - I s 2,0 mm, företrädesvis s 1,0 mm. Eftersom kroppen i form av hafniumhydrid väsentligen inte expanderar under användning så behövs ej heller i längdriktningen något väsentligt expan- sionsutrymme.

Enligt en ytterligare utföringsform är åtminstone 90%, med av- seende på vikt, av det absorbatormaterial som finns i styrstaven i form av hafniumhydrid. Det är fördelaktigt om hafniumhydrid används som absorbatormaterial i större delen av styrstaven.

Uppfinningen utesluter inte möjligheten av att något annat ab- sorbatormaterial används i en viss del av styrstaven. Emellertid är det fördelaktigt om åtminstone 90% av det absorbatormaterial som används i styrstaven är i form av hafniumhydrid. Enligt en fördelaktig utföringsform är allt absorbatormaterial i styrstaven i form av hafniumhydrid.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en jämfört' med tidigare teknik förbättrad drift av en kärnkraftlättvattenreak- tor av typen BWR eller PWR.

Detta syfte uppnås genom att en styrstav enligt någon av före- gående utföringsformer används som styrstav under drift i en kärrikraftlättvattenreaktor av typen BWR eller PWR.

Genom att en sådan styrstav används så uppnås de fördelar som har beskrivits ovan i samband med styrstaven.

Enligt en speciellt fördelaktig användning av styrstaven är kärn- kraftlättvattenreaktorn i vilken den används av typen BWR.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 visar schematiskt en perspektivvy av en dei av en styrstav för en BWR.

Fig. 2 visar schematiskt ett tvärsnitt av en styrstav för en PWR.

BESKRIVNING AV UTFÖRlNGSEXEMPEL AV UPPFINNJNGEN Fig. 1 visar således schematiskt en styrstav för en BWR. Styr- staven omfattar ett hölje 4. Höljet kan t.ex. bestå av rostfritt stål.

Höljet 4 är utformat så att styrstaven har fyra styrstavsblad 11, 12, 13, 14 anordnade så att styrstaven har korsformat tvärsnitt.

Styrstavsbladen 11, 12, 13, 14 möts i korsets centrum 15. Varje styrstavsblad 11, 12, 13, 14 innefattar ett flertal utrymmen 6 för absorbatormaterial. I Fig. 1 visas schematiskt några sådana ut- rymmen 6 i styrstavsbladet 11.

Enligt denna utföringsform är varje utrymme 6 utformat som en avlång kanal som sträcker sig i radiell riktning i styrstavsbladet 11. Kanalen 6 kan ha cirkulärt tvärsnitt. l kanalerna 6 är absor- batormaterial 8 anordnat. Absorbatormaterialet 8 har syftet att absorbera neutroner.

Enligt föreliggande uppfinning är absorbatormaterialet 8 i form av hafniumhydrid. Styrstaven kan även innehålla annat absorba- tormaterial 8 än hafniumhydrid. Emellertid föredras enligt upp- finningen att absorbatormaterialet 8 till övervägande. delen be- står av hafniumhydrid. Företrädesvis är allt absorbatormaterial 8 i styrstaven i form av hafniumhydrid. Hafniumhydriden kan emel- lertid innehålla små mängder av tillsatser. Mängden väte i hafni- umhydriden är sådan att väsentligen stökiometrisk jämvikt före- ligger under de betingelser som råder i kärnkraftreaktorn för vil- ken styrstaven är utformad. Hafniumhydriden kan därvid förelig- ga i form av HfHLS.

Hafniumhydriden kan vara anordnad i pulverform i kanalerna 6.

Enligt en fördelaktig utföringsform föreligger emellertid hafnium- hydriden i form av fasta kroppar 8 i kanalerna 6. Sådana fasta kroppar kan ha bildats från hafniumhydridpulver. Kropparna kan t.ex. bildas genom varm isostatisk pressntng (HIP) och/eller ge- nom sintring. Kropparna 8 kan t.ex. biidas på liknande sätt som det på vilket absorbatorkroppar av B40 bildas. Kropparna kan t.ex. vara 5 cm långa. Enligt en fördelaktig utföringsform kan kropparna 8 vara så långa att de sträcker sig över väsentligen hela kanalens 6 längd. Om t.ex. de avlånga utrymmena 6 har en längd L, och absorbatormaterialet 8 i form av hafniumhydrid fö- religger i form av en fast kropp med längden I, så kan L - l s 2,0 mm, t.ex. kan L - I vara 1 mm. L kan t.ex. vara 10 cm.

Fig. 2 visar schematiskt ett tvärsnitt genom en styrstav för-en lättvattenreaktor av typen PWR. Styrstaven har i detta fall ett cylinderformat hötje 4 som exempelvis är gjort av rostfritt stål.

Inom höljet finns en kanal 6. i kanalen 6 finns det absorbatorma- terial 8. Absorbatormaterialet 8 består till övervägande delen av hafniumhydrid. Företrädesvis föreligger allt absorbatormateriai 8 i styrstaven i form av hafniumhydrid. Hafniumhydriden kan emel- lertid innehålla vissa mindre tillsatser av andra ämnen. Hafni- umhydriden» kan föreligga i pulverform. Emellertid är det fördel- aktigt om hafniumhydriden föreligger i form av fasta kroppar 8.

Sådana fasta kroppar 8 kan exempelvis vara 1,5 cm långa och kan ha cirkulärt tvärsnitt. Kropparna kan bildas av ett pulver på- liknande sätt som har beskrivits ovan i samband med Fig. 1.

Styrstaven enligt Fig. 2 innehåller en fjäder 16 för att hålla krop- parna 8 säkert på plats.

Både i fallet av en styrstav för BWR (Fig. 1) och i fallet av en styrstav för PWR (Fig. 2) kan absorbatormaterialet 8 i form av hafniumhydrid föreligga i form av en eller flera fasta kroppar med väsentligen cirkulärt tvärsnitt. Den fasta kroppen eller de fasta kropparna kan ha en tvärsnittsdiameter d och utrymmet i styrstaven kan ha en tvärsnittsdiameter D där den fasta kroppen eller de fasta kropparna är belägna och har tvärsnittsdiametern d. Lämpligen är därvid D - d s 0,20 mm. D - d kan t.ex. vara 0,10 mm. Även i utföringsformen enligt Fig. 2 innehåller hafniumhydriden lämpligen en sådan mängd väte att stökiometrisk jämvikt före- ligger under de betingelser som råder under drift i kärnkraftreak- torn för vilken styrstaven är utformad. Hafniumhydriden kan här- vid exempelvis vara HfHm.

En annan aspekt av uppfinningen avser användning av en styr- stav i en kärnkraftlättvattenreaktor. Enligt en sådan användning kan en styrstav av det slag som har beskrivits i samband med Fig. 1 användas som styrstav under drift i en BWR. Företrädes- vis används ett flertal sådana styrstavar i BWR:n.

Enligt en annan användning enligt uppfinningen används en styrstav av den typ som har beskrivits i samband med Fig. 2 som styrstav under drift i en kärnkraftlättvattenreaktor av typen PWR. Företrädesvis används ett flertal sådana styrstavar i PWR:n.

Med styrstavama och användningarna enligt uppfinningen upp- nås de fördelar som har beskrivits ovan.

Uppfinningen är inte begränsad till de beskrivna utföringsexemp- len utan kan varieras och modifieras inom ramen för följande patentkrav.

Claims (16)

10 15 20 25 30 35 11 Patentkrav

1. Styrstav utformad för en kärnkraftlättvattenreaktor av typen BWR eller PWR, varvid styrstaven innehåller absorbatorrnaterial (8), kännetecknad av att åtminstone 50%, med avseende på vikt, av det absorbatormaterial (8) som finns i styrstaven är i form av hafniumhydrid.

2. Styrstav enligt krav .1, varvid förhållandet mellan hafnium och väte i hafniumhydriden är HfHx, där x ligger inom intervallet från 0,90y till 1,10y, där y är det värde på x som föreligger då det råder stökiometrisk jämvikt i hafniumhydriden med avseende på mängden väte däri under de betingelser som råder under drift i kärnkraftreaktorn av den typ för vilken styrstaven är utformad.

3. Styrstav enligt krav 2, varvid x = y.

4. Styrstav enligt något av föregående krav, varvid förhållan- det mellan hafnium och väte i hafniumhydriden år HfHx, där 1,40 sxs1ßQ

5. Styrstav enligt något av föregående krav, varvid hafnium- hydriden i styrstaven är i form av fasta kroppar (8).

6. Styrstav enligt krav 5, varvid de fasta kropparna (8) är åt- minstone 1,0 cm långa.

7. Styrstav enligt krav 5 eller 6, varvid de fasta kropparna (8) har bildats utgående från hafniumhydrid i pulverform.

8. Styrstav enligt något av kraven 1-4, varvid hafniumhydri- den i styrstaven är i pulverform.

9. - Styrstav enligt något av föregående krav, varvid styrstaven innefattar ett hölje (4) inom vilket det finns åtminstone ett ut- 10 15 20 25 30 35 12 rymme (6) för absorbatormaterial (8), varvid nämnda absorba- tormaterial (8) i form av hafniumhydrid finns i nämnda åtminsto- ne ett utrymme (6).

10. Styrstav enligt krav 9, varvid nämnda åtminstone ett ut- rymme (6) är utformat som en avlång kanal med väsentligen cir- kulärt tvärsnitt.

11. Styrstav enligt krav 10, varvid nämnda absorbatormaterial (8) i form av hafniumhydrid föreligger i form av en elier flera fas- ta kroppar* med väsentligen cirkulärt tvärsnitt, varvid den fasta kroppen eller de fasta kropparna har en tvärsnittsdiameter d och varvid utrymmet har en tvärsnittsdiameter D där den fasta krop- pen eller de fasta kropparna är belägna och har tvärsnittsdiame- tern d, varvid D - d s 0,20 mm.

12. Styrstav enligt något av föregående krav, varvid styrstaven är utformad för en BWR.

13. Styrstav enligt krav 12, varvid styrstaven har ett korsformat tvärsnitt och består av fyra styrstavsblad (11, 12, 13, 14) som möts i korsets centrum (15), varvid varje styrstavblad (11, 12, 13, 14) innefattar ett flertal avlånga utrymmen (6) för absorba- tormaterial och varvid nämnda absorbatormaterial i form av haf- niumhydrid är anordnat i nämnda utrymmen (6).

14. Styrstav enligt krav 13, varvid vart och ett av ett flertal av de avlånga utrymmena (6) har en längd L, varvid i vart och ett av dessa utrymmen nämnda absorbatormaterial (8) i form av hafniumhydrid föreligger i form av en fast kropp med längden I, varvid L - I s 2,0 mm.

15. Styrstav enligt något av föregående krav, varvid åtminsto- ne 90%, med avseende på vikt, av det absorbatormaterial som finns i styrstaven är i form av hafniumhydrid. 13

16. Användning av åtminstone en styrstav enligt något av fö- regàende krav som styrstav under drift i en kärnkraftlättvatten- reaktor av typen BWR eller PWR.