SE436809B - FUEL CARTRIDGE FOR USE IN A PRESSURE WATER MODERATED AND COOLED QUICK BRIDKERN REACTOR - Google Patents

Description

7806955-6 2 H0 Tungt vatten, deuteriumoxid (D20), har i huvudsak samma fysikaliska och kemiska egenskaper som lätt vatten (H20). Dess nukleära egenskaper är dock olika, sålunda är absorptionstvär- snittet och neutronbromsförmågan hos D20 markant mindre än för H20. Användning av D20 såsom kylmedium i en snabb bridreaktor är därför önskvärd på grund av dess nukleära data och på grund av användbarheten av tryckvattenteknologin. I ett reaktorsystem med plutonium-uranium-deuteriumoxid (Pu-U-D20) är det vid mins- kande förhållande mellan kylmedium och bränsleatom känt att kon- versions- eller bridförhållandet ökar. Bridförhâllandet är för- hållandet mellan antalet alstrade fissila atomer och förbrukade sådana. Ett högt bridförhållande, som närmar sig värdet 1,40, kan realiserad i ett Pu-U-D20-system, om en bränslegittergeometri utvecklas, i vilken förhållandet mellan moderator och bränsle justeras till att ge atomförhållanden mellan moderator och bräns- le som närmar sig 1,0 eller mindre. Eftersom valet av atomförhål- landet mellan moderator och bränsle definierar volymen av kyl- medel per massenhet av bränsle, inser man att svårigheter upp- står vid konstruktion av ett bränslestavgitter som kan genom- släppa tillräcklig mängd kylmedel vid lågt förhållande mellan moderator och bränsle. De höga flödesmängder som erfordras för att tillförsäkra tillräcklig kylning av reaktorkärnan gör det nödvändigt att använda höga hastigheter i kylmediekanalerna, vilka är märkbart begränsade när man när ett litet förhållande mellan moderator och bränsle. I ett bränsleelementgitter med små avstånd mellan bränslestavarna är användningen av konventio- nella spridaranordningar ofördelaktiga, eftersom de på grund av de insatta spridarna begränsar möjligheterna till packning av bränslestavarna, vidare ger en tendens till uppkomst av vibra- tioner i spridarna, orsakat av flödet, vidare uppkommer parasi- tisk absorption i materialet i spridarna och slutligen ökas de hydrauliska tryckförluster som uppkommer på grund av de insatta spridarna genom begränsningen av flödespassagerna. 7806955-6 2 H0 Heavy water, deuterium oxide (D20), has essentially the same physical and chemical properties as light water (H20). However, its nuclear properties are different, thus the absorption cross section and neutron braking capacity of the D20 are significantly less than that of the H20. The use of D 2 O as a refrigerant in a fast bridging reactor is therefore desirable because of its nuclear data and because of the usefulness of pressurized water technology. In a reactor system with plutonium-uranium-deuterium oxide (Pu-U-D20), it is known that the conversion or bridging ratio increases with a decreasing ratio of coolant to the fuel atom. The bridging ratio is the ratio between the number of fissile atoms generated and those consumed. A high bridging ratio, approaching the value of 1.40, can be realized in a Pu-U-D20 system, if a fuel grid geometry is developed, in which the ratio between moderator and fuel is adjusted to give atomic ratios between moderator and fuel approaching 1.0 or less. Since the choice of the atomic ratio between moderator and fuel defines the volume of coolant per unit mass of fuel, it is realized that difficulties arise in designing a fuel rod grid that can transmit a sufficient amount of coolant at a low moderator to fuel ratio. The high flow rates required to ensure adequate cooling of the reactor core make it necessary to use high velocities in the refrigerant channels, which are noticeably limited when reaching a small moderator-fuel ratio. In a fuel element grid with small distances between the fuel rods, the use of conventional injector devices is disadvantageous, because due to the inserted injectors they limit the possibilities of packing the fuel rods, further giving a tendency to occur vibrations in the injectors, caused by the flow, further parasitic absorption occurs in the material in the diffusers and finally the hydraulic pressure losses which arise due to the inserted diffusers are increased by the restriction of the flow passages.

Kända konstruktioner av reaktorer som är modererade och kylda med tungt vatten avser speciella stavdiametrar och stav- mellanrum inom ett atomförhållande mellan moderator och bränsle som sträcker sig från 0,35 till 4,0 och föreslår särskilt att ett atomförhållande mellan moderator och bränsle av approxima- tivt 0,3 kan åstadkommas i ett bränslestavgitter som använder berörande bränslestavar anordnade i ett triangulärt mönster.Known constructions of reactors which are moderated and cooled with heavy water relate to special rod diameters and rod spacings within an atomic ratio between moderator and fuel ranging from 0.35 to 4.0 and in particular suggest that an atomic ratio between moderator and fuel of approx. 0.3 can be provided in a fuel rod grid using contacting fuel rods arranged in a triangular pattern.

H0 3 É 7806955-6 En reducering av värmeflödet till en nivå som är nödvändig för att man skall undvika potentiella förstörande värmepunkter vid kontaktställen mellan bränslestavar skulle dock allvarligt be- gränsa driftdugligheten för en sådan reaktorkärna vid användning i en tryckvattenreaktor. Vidare skulle allt för tät placering av bränslestavarna kunna leda till igensättning på grund av fas- ta partiklar som medföljde kylmedlet, varjämte avskräckande höga effektkrav skulle ställas på pumputrustningen för reaktorkylmed- let. Även andra svårigheter kan utan vidare inses. Dels är en eliminering av spridargíttren önskvärd för möjliggörande av höga kylmedelshastigheter, så att man kan uppnå de atomförhållanden mellan moderator och bränsle som närmar sig det höga konversions-' förhållandet för de berörande bränslestavarna. Dels kan elimine- ring av spridargittren resultera i onoggranna inbördes avstånd mellan bränslestavarna, och till vibrationer förorsakade av flödet och till ojämn kylning.H0 3 É 7806955-6 A reduction of the heat flow to a level necessary to avoid potentially destructive hotspots at contact points between fuel rods would, however, severely limit the operability of such a reactor core when used in a pressurized water reactor. Furthermore, too tight placement of the fuel rods could lead to clogging due to solid particles that came with the coolant, and deterrent high power requirements would be placed on the pump equipment for the reactor coolant. Other difficulties can also be readily realized. On the one hand, an elimination of the diffuser grids is desirable in order to enable high coolant velocities, so that the atomic ratio between moderator and fuel approaching the high conversion ratio of the relevant fuel rods can be achieved. On the one hand, elimination of the diffuser gratings can result in inaccurate mutual distances between the fuel rods, and to vibrations caused by the flow and to uneven cooling.

Enligt uppfinningen elimineras nackdelarna vid den kända tekniken på ett effektivt sätt genom de åtgärder som är redovi- sade i den kännetecknande delen av bifogade patentkrav 1. En bränslepatron enligt uppfinningen är sålunda försedd med fenför- sedda kapslingsrör som är anordnade att bilda en sammanhängande bränslepatron genom hoplödning av kontinuerliga eller avbrutna fenor på ett kapslingsrör med fenor på andra kapslingsrör. Den sålunda sammanlödda bränslepatronen med fenförsedda kapslings- rör är dimensionerad att svara mot termiska och hydrauliska krav hos ett mycket tätt gitter, vilket erfordras för att de största bridförhållandena skall kunna uppnås.According to the invention, the disadvantages of the prior art are effectively eliminated by the measures set out in the characterizing part of appended claims 1. A fuel assembly according to the invention is thus provided with fin-provided casing tubes which are arranged to form a coherent fuel assembly by soldering of continuous or interrupted fins on one housing pipe with fins on other housing pipes. The fuel cartridge thus soldered with fin-equipped enclosure tubes is dimensioned to meet the thermal and hydraulic requirements of a very tight grid, which is required in order to be able to achieve the largest bridging conditions.

Enligt ett alternativt utförande är fenorna på vissa kaps- lingsrör direkt anslutna till rördelen på andra kapslingsrör så att den resulterande bränslepatronen har ett volymförhållan- de mellan moderator och bränsle som tenderar till att öka brid- förhållandet i en Pu-U-D20-reaktorkärna.According to an alternative embodiment, the fins on some casing pipes are directly connected to the pipe section on other casing pipes so that the resulting fuel assembly has a volume ratio between moderator and fuel which tends to increase the bridge ratio in a Pu-U-D20 reactor core.

Vid ett ytterligare utförande enligt uppfinningen är kärnan tillverkad av solitt material med upptagna kanaler, som omväx- lande lämpar sig för kvlmedel och för bränsleinneslutning.In a further embodiment according to the invention, the core is made of solid material with occupied channels, which are alternately suitable for nitrogen and for fuel containment.

Genom utnyttjande av uppfinningen elimineras nackdelarna vid den kända tekniken och åstadkommas möjligheter att erhålla förhållanden mellan moderator och bränsle som kan ge en Pu-U-D20-reaktor högt bridförhållande under samtidigt tillför- säkrande av tillräcklig delning mellan bränslestavarna utan 7soe9ss-6 H H0 parasitförluster av del slag som kan uppträda vid användning av kända spridargilter. Vidare eliminerar un anordning enligt upp- finningen hydrauliska tryckförluster som kan uppkomma vid kända spridargitter, samtidigt som tendensen till vibrationer hos bräns- lestavarna minskas. De fenförsedda bränslestavarna ökar dessutom styrkan av dessa stavar, ökar den tillgängliga värmeöverföríngs- ytan och förbättrar allmänt värmeöverföringskoefficienten.By utilizing the invention, the disadvantages of the prior art are eliminated and opportunities are obtained to obtain moderator-fuel ratios which can give a Pu-U-D20 reactor a high bridging ratio while at the same time ensuring sufficient pitch between the fuel rods without 7soe9ss-6 H H0 parasite losses. of some kind that may occur using known spreader gilts. Furthermore, a device according to the invention eliminates hydraulic pressure losses that can occur with known spreader grids, at the same time as the tendency to vibrations of the fuel rods is reduced. The fin-equipped fuel rods also increase the strength of these rods, increase the available heat transfer surface and generally improve the heat transfer coefficient.

Uppfinningen skall närmare förklaras i anslutning till fi- gurerna på bifogade ritningar, varvid fig. 1 visar en delgenom- skärning av en bränslepatron, fig¿_2 visar en sidovy i utdrag av ett antal fenförsedda bränslestavar, anordnade enligt en förs- ta alternativ utföríngsform av uppfinningen, fig¿_§ visar en sidovy i utdrag av ett antal bränslestavar anordnade enligt ett andra alternativt utförande av uppfinningen. I fig. 4 visas i bruten delgenomskärning en del av en bränslepatron med bränsle- ' stavar anordnade enligt en annan utföringsform av uppfinningen» Fig. 1 visar en delgenomskärning av en bränslepatron 10 med tätt packade bränslestavar 11 anordnade enligt ett mönster, i vilket längdaxlarna ligger parallellt. Varje bränslestav 11 har den i huvudsak rörformig kapsling 12, vilken är försedd med ett flertal utskjutande fenor 13, vilka är formade som delar av den yttre ytan av kapslingen och som är fördelade utmed dennas om- krets. Kärnbränsle lh, bestående av en blandning av fissilt och fertilt material är inneslutet i kapslingen 12. Bränslestavarna 11 i fig. 1 är så anordnade att den yttre ändytan på varje fena 13A stöter emot den yttre ändytan av en fena 13B på en angrän- sande bränslestav. Fenor på de periferiellt liggande bränsle- stavarna kan ligga an mot ett höljesrör 15 för bränslepatronen. Ändytorna på de fenor som visas i fig. 1 är förbundna med var- andra och med höljesröret med hjälp av hårdlödning 15, 17, så att en sammanhållen bränslepatron 10 erhålles.The invention will be explained in more detail in connection with the figures in the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a partial cross-section of a fuel assembly, Fig. 2 shows a side view in extraction of a number of fin-provided fuel rods, arranged according to a first alternative embodiment of the invention, Figs. shows a side view in extraction of a number of fuel rods arranged according to a second alternative embodiment of the invention. Fig. 4 shows in broken section a part of a fuel assembly with fuel rods arranged according to another embodiment of the invention. Fig. 1 shows a partial section of a fuel assembly 10 with tightly packed fuel rods 11 arranged according to a pattern in which the longitudinal axles lie in parallel. Each fuel rod 11 has the substantially tubular housing 12, which is provided with a plurality of projecting fins 13, which are formed as parts of the outer surface of the housing and which are distributed along its circumference. Nuclear fuel 1h, consisting of a mixture of fissile and fertile material, is enclosed in the housing 12. The fuel rods 11 in Fig. 1 are arranged so that the outer end surface of each fin 13A abuts the outer end surface of a fin 13B on an adjacent fuel rod. . Fins on the peripherally located fuel rods may abut against a casing 15 for the fuel assembly. The end surfaces of the fins shown in Fig. 1 are connected to each other and to the casing tube by means of brazing 15, 17, so that a cohesive fuel assembly 10 is obtained.

Enligt en utföringsform sträcker sig fenorna 13 utan av- ,brott längs ytan av brünslestavarna och bildar kanaler 20 i mel- lanrummet mellan bränslcstavarna. Genom dessa kanaler kan kyl- medel för reaktorn flyta (icke visat). Dessa kanaler förlöper i allmänhet parallellt med centrumlinjvrna i bränslestavarna. Fe- sig kontinuerligt längs hela norna 13 behöver dock inte sträcka bränslestavarnnu längd utan kan bvstfi av korta fendelar 21, 7806955-6 enligt vad som visas i fig. 2 och 3, varigenom tvärgàende flöde och blandning av kylmedlet kan erhållas i mellanrummen mellan hränslestavarna. De axiellt avbrutna fenorna 21 hos angränsande bränslestavar kan hârdlödas till varandra enligt vad som visas vid 22 i fig. 2 eller direkt vid kapslingsröret hos bränslesta- ven, enligt vad som visas vid 23 i fig. 3. En bränslepatron kan även framställas som använder en kombination av anordningarna enligt fig. 2 och 3, dvs fenor som ligger i kontakt med varandra och fenor som ligger i kontakt med kapslingsrör.According to one embodiment, the fins 13 extend without interruption along the surface of the fuel rods and form channels 20 in the space between the fuel rods. Through these channels, coolant for the reactor can flow (not shown). These channels generally run parallel to the center lines of the fuel rods. However, continuously continuous along the entire nodes 13 need not extend the length of the fuel rod but may consist of short fender portions 21, 7806955-6 as shown in Figs. 2 and 3, whereby transverse flow and mixing of the coolant can be obtained in the spaces between the fuel rods. The axially broken fins 21 of adjacent fuel rods can be brazed to each other as shown at 22 in Fig. 2 or directly at the cap tube of the fuel rod, as shown at 23 in Fig. 3. A fuel assembly can also be made using a combination of the devices according to Figs. 2 and 3, ie fins which are in contact with each other and fins which are in contact with enclosure tubes.

En fenfórsedd bränslestav 26 som använder breda fenor 2U, vilka är hårdlödda med varandra vid 25, visas i fig. 4. Breda fenor kan användas för att ytterligare begränsa moderatorvolyms- andelen med något uppoffrande av specifik kärneffekt.A fin-provided fuel rod 26 using wide fins 2U, which are brazed together at 25, is shown in Fig. 4. Wide fins can be used to further limit the proportion of volume of moderator with some sacrifice of specific core power.

Eliminering av konventionella spridargitter och anordnan- dcr av fenor såsom delar av bränslestavskapslingen tillåter re- ducering av reaktorkärnans moderatorvolymandel till värden som svarar mot önskade atomförhållanden mellan moderator och bränsle.Elimination of conventional diffuser gratings and arrangements of fins such as parts of the fuel rod enclosure allow reduction of the reactor core moderator volume portion to values corresponding to desired atomic to fuel ratio.

Typiska fysikaliska konstruktionsparametrar anges i följande tabell I.Typical physical design parameters are listed in the following Table I.

Tabell I Efiilaal. __1__ L __?__ Bränslestavdiameter, cm 0,889 1,016 1,016 Bränslestavdelning, cm 0,991 1,092 1,092 Kapslingstjocklek, cm 0,038 0,051 0,051 Kapslingsmaterial Incoloy Rostfritt Rostfritt 800 stål 316 stål 316 Delning - diameter, cm 0,102 0,076 0,076 Antal fenor per stav 6 3 3 Fenhöjd, cm 0,051 0,076 0,076 Fenbredd, cm 0,051 0,076 0,076 Fenavbrott, % av längd 0 0 30 Bränslevolymandel 0,6105 0,635? 0,635? Materialandel 0,1381 0,1659 0,1541 Volymandelsförhâllande 0,251H 0,198H 0,2102 Bränsle/kylmedel 2,03 3,20 3,02 Atomförhållande moderator/bränsle 0,82 0,624 0,66 Brännlestavarna i exemplen enligt tabell I är stavformiga.Table I E fi ilaal. __1__ L __? __ Fuel rod diameter, cm 0.889 1,016 1,016 Fuel rod compartment, cm 0.991 1,092 1,092 Enclosure thickness, cm 0.038 0.051 0.051 Enclosure material Incoloy Stainless Stainless 800 steel 316 steel 316 Splitting - diameter, cm 0.102 0.076 0.076 Number 3 fins 6 cm Number of fins 0.051 0.076 0.076 Fin width, cm 0.051 0.076 0.076 Fin break,% of length 0 0 30 Fuel volume fraction 0.6105 0.635? 0.635? Material content 0.1381 0.1659 0.1541 Volume ratio 0.251H 0.198H 0.2102 Fuel / coolant 2.03 3.20 3.02 Atomic ratio moderator / fuel 0.82 0.624 0.66 The fuel rods in the examples according to Table I are rod-shaped.

Vid exemplen 1 och 2 är kapslingsrören försedda med kontinuer- liga fenor längs hela deras längd. Exempel 3 avser en alternativ 7896955-6 l0 2st U0 6 utföringsform av exemplet 2 med fenor som sträcker sig över app- roximativt 30 % av stavlängden. Värdena på atomförhållandena mellan moderator och bränsle enligt tabell I närmar sig normala driftvillkor för tryckvattenreaktorer, innefattande primärkyl- médelstemperatur och -tryck, bränslekutsform, fritt avstånd mellan bränslekutsar och kapsling och procenttalet för teoretisk U02-täthet i kutsen. g Bränslepatronerna enligt tabell I kan framställas genom -hårdlödning i ugn med kvävgasatmosfär vid 1050-1100°C under användning av en hårdlödningslegering med varunamnet "Nicrobraz 50" (vilken kan erhållas från firman Wall-Colmonoy Corp., Detroit, Michigan, USA) med användning av Jiggar, fixturer och hårdlödningsmetoder av allmänt känt slag.In Examples 1 and 2, the casing tubes are provided with continuous fins along their entire length. Example 3 relates to an alternative embodiment of example 2 with fins extending approximately 30% of the rod length. The values of the atomic ratio between moderator and fuel according to Table I approach normal operating conditions for pressurized water reactors, including primary coolant temperature and pressure, fuel pellet form, free distance between fuel pellets and enclosure and the percentage of theoretical U02 density in the pellet. The fuel cartridges according to Table I can be prepared by brazing in an oven with a nitrogen atmosphere at 1050-1100 ° C using a brazing alloy bearing the trade name "Nicrobraz 50" (available from Wall-Colmonoy Corp., Detroit, Michigan, USA) with use of Jigs, fixtures and brazing methods of generally known kind.

Tack vare atomförhållandena mellan moderator och bränsle som möjliggjorts vid bränslepatroner enligt uppfinningen kan snabb- reaktorfysik tillämpas på tryckvattenreaktorteknologi. Denna kombination har viktiga fördelar, innefattande: a. Undvikande av gas- eller vätskeformiga metallkylmedel, vilka annars använts för snabbreaktorer. b. Reducerad arbetstemperatur för kapslingen. c. Användbarhet av ytterligare metoder för reaktivitets- reglering, nämligen kemisk styrning och spektralskiftstyrning.Thanks to the atomic relationship between moderator and fuel made possible by fuel assemblies according to the invention, fast reactor physics can be applied to pressurized water reactor technology. This combination has important advantages, including: a. Avoidance of gaseous or liquid metal coolants, which have otherwise been used for fast reactors. b. Reduced working temperature for the enclosure. c. Usability of additional methods for reactivity control, namely chemical control and spectral shift control.

Användbarheten av ytterligare metoder för reaktivitetsregle- ring reducerar det normala beroendet hos snabbreaktorer av styr- stavar,f Sålunda möjliggöres en reducering i erforderligt antal styrstavar och àstadkoms möjlighet för kontinuerlig justering av överskottsreaktivitet till minimala värden, vilket i hög grad ökar säkerheten hos snabbreaktorkärnor. Detta skulle innefatta drift med högvärdigare stavar utanför kärnan.The usefulness of additional methods for reactivity control reduces the normal dependence of control rods on control rods, f Thus, a reduction in the required number of control rods is made possible and the possibility of continuous adjustment of excess reactivity to minimum values is achieved, which greatly increases the safety of reactor cores. This would include operation with higher value rods outside the core.

Claims (4)

7806955-6 f? PATENTKRAV7806955-6 f? PATENT REQUIREMENTS 1. Bränslepatron för användning i en med tryckvatten modererad och kyld snabb brídkärnreaktor, vilken bränslepatron är k ä n n e - t e c k n a d av att den innefattar ett kärnbränsle (1Ä), ett flertal bränslestavar (11), anordnade med parallella längsgående axlar i ett tätt hophâllet paket, varvid varje bränslestav väsentli- gen består av en 1 stort sett rörformad kapsel, som uppbär kärn- bränslet, och en längsgående fena vilken sträcker sig från kapseln till varje intill befintlig bränslestav och är metallurgiskt förenad med denna för att bilda en i ett stycke utförd bränslepatron som har kylmedelpassager vilka avgränsas av kapselns yta och fenorna, varvid bränslestavarna inklusive nämnda fenor är så dimensionernade att bränslepatronen har en materialvolymandel mindre än ca 0,166 och ett förhållande mellan bränsle- och kylmedelvolym i området mellan ca 2,R3 och ca 3,20.Fuel cartridge for use in a pressurized water-cooled and cooled fast-core reactor, which fuel cartridge is characterized in that it comprises a nuclear fuel (1Ä), a plurality of fuel rods (11), arranged with parallel longitudinal axes in a tightly held package , each fuel rod consisting essentially of a substantially tubular capsule carrying the nuclear fuel, and a longitudinal fin which extends from the capsule to each adjacent fuel rod and is metallurgically joined thereto to form a one-piece fuel assembly having coolant passages defined by the surface of the canister and fins, the fuel rods including said fins being so dimensioned that the fuel assembly has a volume of material less than about 0.166 and a ratio of fuel to coolant in the range of about 2, R3 and about 3.20. 2. Bränslepatron enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att fenan är metallurgiskt förenad med en intill befintlig bränsle- stav medelst hàrdlödning.2. A fuel assembly according to claim 1, characterized in that the fin is metallurgically connected to an adjacent fuel rod by brazing. 3. Bränslepatron enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att fenan sträcker sig kontinuerligt utan avbrott längs kapselns yta i en med resp. bränslestavs längsaxel i stort sett parallell rikt- ning.Fuel cartridge according to claim 1, characterized in that the fin extends continuously without interruption along the surface of the canister in one with resp. longitudinal axis of the fuel rod in a largely parallel direction. 4. Bränslepatron enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att kärnbränslet är plutonium och att tryekvattnet är tungt vatten. ___-___..- iA fuel assembly according to claim 1, characterized in that the nuclear fuel is plutonium and that the pressurized water is heavy water. ___-___..- i