MORGE Utlegningsskrift nr. 123496 Int. Cl.G 21 c 7/32 Kl. 21g-21/31 G 21 c 1/08 2lg-21/20 Patentsøknad nr. 1373/69 Inngitt 1.4.1969 Løpedag STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN Søknaden ålment tilgjengelig fra 2.10.1970 Søknaden utlagt og utlegningsskrift utgitt 29.11.1971 Prioritet begjært fra: Institutt for Atomenergi, Postboks 40, 2007 Kjeller. Oppfinner: Erik Rolstad, Ekelund 2, 1750 Halden. Fremgangsmåte til styring av en kokendevannreaktor og kokendevannreaktor til utførelse av fremgangsmåten. Oppfinnelsen angår en framgangsmåte til styring av en kokendevannreaktor med naturlig sirkulasjon og en kokendevannreaktor som er egnet for utførelse av framgangsmåten. En reaktor av denne typen vil vanligvis omfatte en reaktortank, en reaktorkjerne plassert i reaktortanken, en stiger umiddelbart over reaktorkjernen, et nedløp, et damprom, et damputtak og en vannmengde som sirkulerer ved naturlig sirkulasjon i et kretsløp gjennom reaktorkjernen, stigeren og nedløpet, delvis fordamper i reaktorkjernen og avgir damp til damproitimet. Det er i de senere år blitt bygget et betydelig antall kraftreaktorer av kokendevannreaktor-typen i flere land. De fleste av disse reaktorene er blitt bygget for stor ytelse, særlig fordi den økonomiske konkurranse-evnen til kraftreaktorer øker sterkt med aggregatstørrelsen. I store kokendevannreaktorer gir ikke naturlig sirkulasjon tilfredsstillende spesifikk ytelse for reaktorkjernen. Store kokendevannreaktorer må derfor utstyres med sirkulasjonspumper eller arrangementer som i søkerens norske patenter 106.070 og 106.1+28.
123496 2 I flere tilfeller kan det imidlertid være ønskelig å kunne gjøre bruk av relativt små kraftproduserende reaktorer, med elektrisk effekt av størrelsesorden 100 MW eller mindre. Slike reaktorer kan finne anvendelse på steder som ikke har forbindelse med et større samkjøringsnett eller for å dekke et lokalt behov for prosessdamp. Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å gjøre kokendevannreaktorer med naturlig sirkulasjon så enkle og dermed så billige at de blir økonomisk fordelaktige i små aggregatstørrelser. I praktisk talt alle kjernereaktorer gjøres det bruk av styrestaver til effektregulering. Styrestavene med tilhørende drivenheter er kostbare fordi det av sikkerhetsmessige grunner stilles meget store krav til dem. Nesten alle reaktorer bruker styrestaver ved oppstarting og nedkjøring, og til nødavstenging. Dessuten brukes styrestavene gjerne under drift for å styre reaktorens effekt i takt med midlertidige variasjoner i forbruk av damp, for å forme effektfordelingen i kjernen og for å motvirke den overskuddsreaktivitet som reaktoren må ha. Med styring menes i denne patentsøknaden så vel effektregulering, styring for å ta hensyn til midlertidige variasjoner i forbruk av damp, forming av effektfordelingen i kjernen og motvirkning av overskuddsreaktiviteten. Hyppig bruk av styrestavene medfører slitasje og dermed økende omkostninger. Dessuten medfører oppbruk av overskuddsreaktiviteten i styrestavene en uøkonomisk anvendelse av brenselet. For mest mulig å unngå bruk av styrestavene er det tidligere anvendt forbrukbare neutronabsorbatorer. På denne måten kan overskuddsreaktiviteten motvirkes, men anvendelsen av brenselet er fortsatt uøkonomisk og de midlertidige variasjoner i forbruk av damp må det fortsatt kompenseres for ved hjelp av styrestavene. Det er også blitt foreslått å styre en reaktors effekt ved å forandre sammensetningen og/eller temperaturen til moderatoren. I kokendevannreaktorer nyttes samme vann til både moderering og kjøling, og vanligvis blir den utviklede dampen sendt direkte til dampturbinen. Det er da ikke hensiktsmessig å produsere damp av varierende sammensetning eller kvalitet. Oppfinnelsen har til formål mest mulig å unngå bruk av styrestaver under driften av kokendevannreaktorer med naturlig sirkulasjon uten å gjøre bruk av en forbrukbar neutronabsorbator og samtidig tillate direkte bruk av den utviklede damp. Dette oppnås ved framgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved at sirkulasjonshastigheten gjennom reaktorkjernen og derved reaktorens kavitetsfraksjon styres av vannets nivå i nedløpet i forhold til stigerens øvre rand idet nivået reguleres ved hjelp av trykket i damprommet. Med kavitetsfraksjon menes her volumfraksjon av damp i vann/damp-blandingen i reaktorkjernen. Forandringer i sirkulasjonshastigheten fører til forandringer i kavitetsfraksjonen. Derved forandres moderatorvirkningen og følgelig reaktorens effekt.
3 123496 Trykket i damprommet vil være avhengig av hvor mye damp som tas ut gjennom damputtaket. Por å holde trykket i damprommet konstant kan det ifølge oppfinnelsen plasseres en ventil i damputtaket. Ventilen kan på sin side styres av en vannstandsmåler i reaktortanken eller av damptrykket slik at vann-nivået i nedløpet kan holdes konstant innenfor kortere tidsrom. Kavitets fraksjonen i reaktorkjernen vil da heller ikke bli underkastet kortvarige variasjoner og reaktorens effekt kan holdes konstant innenfor kortere tidsrom dersom dette er ønskelig. Derimot vil vannnivået i løpet av driftsperioden måtte forandres for å ta hensyn til den minskede reaktivitet i reaktorkjernen og den derav følgende forandring i kavitetsfraksjon. For å tilføre eller bortføre vann slik at vannet kan anta det ønskede nivå i nedløpet kan vannet i reaktortanken stå i forbindelse med et ytre reservoir. For at vann-nivået i nedløpet skal kunne bestemmes av trykket i damprommet bør det ytre reservoir holdes under tilnærmet konstant trykk. Da kan vannet i nedløpet holdes på det ønskede nivå ved fri kommunisering mellom reaktortanken og det ytre reservoir. Det ytre reservoir kan for eksempel være en brønn under atmosfæretrykk som omslutter reaktortanken. Der det foreligger mulighet til å sprenge ned en brønn i fjell vil en meget sikker og samtidig enkel konstruksjon oppnås. Det er også mulig å la forbindelsen med det ytre reservoir skje gjennom strømningskontrollerende organer, for eksempel et pumpe- og ventilarrangement eller en styrt pumpe. Kokendevannreaktorer blir vanligvis utformet slik at de har negativ kavitets-reaktivitetskoeffisient. Kår for eksempel trykket i damprommet øker, vil det strømme vann fra reaktortanken til det ytre reservoir, slik at vannets nivå i nedløpet synker. Da væskekolonnen i nedløpet gir den drivende kraft for strømningen, vil sirkulasjonshastigheten avta, noe som medfører en økende kavitetsfraksjon i stigeren. Dermed vil reaktoreffekten og følgelig trykket i damprommet avta. Dersom trykket i damprommet avtar, vil den motsatte årsaksrekke medføre at reaktoreffekten og dermed damptrykket stiger. Da reaktoren således streber mot å produsere en dampmengde som tilsvarer den som til enhver tid tas ut av damputtaket, vil den styre seg seiv. I en reaktor til utførelse av framgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan stigeren ved hjelp av vertikale vegger være delt i seksjoner med parallell sirkulasjon. Eventuelt kan det være like mange seksjoner som detter brenselselementer. Dette kan oppnås ved at hvert brenselselement er omsluttet av en ledekappe og at stigeren er dannet av forlengelser av ledekappene. Oppdeling i seksjoner muliggjør lokal påvirkning på sirkulasjonen og derved på belastningen av. brenselet. Enklest kan slik påvirkning skje ved ifølge oppfinnelsen å la stigerens øvre rand være avtrappet i trinn slik at det dannes et antall regioner med forskjellig stigerlengde. Hensikten med denne avtrapningen av stigeren er at når reaktoren drives med stor overskuddsreaktivitet, vil strømningshastigheten i de sentrale kanaler være mindre
123496 117 og derved kavitetsfraksjonen større enn om reaktoren hadde samme effekt, men flat topp på stigeren. Den derav følgende større undermoderering av de sentrale deiene av reaktorkjernen tidlig i perioden vil resultere i en jevnere radiell fluksfordelingsfaktor. Samtidig vil man få den fordel at de perifere deler av kjernen får høy utbrenning mens man sparer brenselet i senter-regionen mens overskuddsreaktiviteten er stor. Når man mot slutten av perioden får reaktivitetsproblemer vil derfor senterregionen være i en bedre forfatning. Dette er viktig siden senterregionen gir størst bidrag til den totale reaktivitet for kjernen. Den avtrappede stiger vil derfor også gi større utbrenning enn en stiger med flat topp. Av fordeler ved framgangsmåten ifølge oppfinnelsen i forhold til styring av en reaktor med styrestaver kan nevnes: - Når overskuddsreaktiviteten motvirkes ved å undermoderere kjernen, vil en større del av neutronene bli absorbert av U-238 atomer og konvertere disse til spaltbart plutonium. Dette resulterer i høyere utbrenning. - Styrestavene brennes ikke ut, og deres drivenheter blir utsatt for mindre slitasje og kan gjøre enklere. - Reaktoren kan gjøres selvregulerende (eksempel 1 og 2) eller lettstyrt (eksempel 3). Oppfinnelsen har først og fremst interesse for reaktorer som anvender lettvann, men den kan også tenkes å ville få interesse for reaktorer med tungtvann. Med vann menes derfor i den generelle beskrivelse og krav såvel lettvann, tungtvann og blandinger av disse. Ved drift av en gitt reaktor kan framgangsmåten ifølge oppfinnelsen nyttes i større eller mindre utstrekning mens reaktoren forøvrig styres ved hjelp av styrestaver eller andre styreorganer. Let kan således tenkes at man i enkelte reaktorer vil nytte styrestaver til å dempe hurtige effektvariasjoner eller til delvis å kompensere for overskuddsreaktiviteten ved driftsperiodens begynnelse. Dette vil ha som resultat at kavitetsfraksjonen i reaktorkjernen ikke vil variere så mye som når framgangsmåten ifølge oppfinnelsen nyttes alene. For nærmere belysning av oppfinnelsen er tre utførelseseksempler beskrevet i tilslutning til figurene. Figur 1 viser i snitt en prinsippskisse av en kjernereaktor plassert i en dyp brønn. Denne kjernereaktor er hensiktsmessig til utførelse av framgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser hvordan strømningshastigheten gjennom reaktorkjernen på figur 1 er avhengig av brenselselementeffekt og vann-nivå i nedløpet. Figur 3 viser hvordan overskuddsreaktiviteten til reaktoren på figur 1 varierer med tiden.
5 123496 Figur I4 viser hvordan vann-nivået i nedløpet til reaktoren på figur 1 varierer med tiden. Figur 5 viser hvordan gjennomsnittskaviteten til reaktoren på figur 1 varierer med brenselselementeffekt og vann-nivå i nedløpet. Figur 6 viser i snitt en prinsippskisse av et arrangement der kjernereaktorens reaktortank er forbundet med en ytre reservoirtank. Figur 7 viser i snitt en prinsippskisse av et arrangement der kjernereaktorens stiger har sin øvre rand avtrappet i trinn. Eksempel 1 På figur 1 er 1 en dyp brønn som er fylt med vann. I brønnen 1 er nedsenket en reaktortank 2 til en dybde vesentlig større enn høyden på reaktortanken. Reaktortanken 2 er ved hjelp av en vertikal vegg 3 delt i en stiger ^ og et nedløp 5. Under stigeren H er det plassert en reaktorkjerne 6 som består av et antall brenselselementer. Utformingen av reaktorkjernen 6 er ikke vist på figuren, men det kan være hensiktsmessig å anvende knippeformede brenselselementer plassert i ledekapper som danner vertikale kjølekanaler. Brenselselementene er på figuren antydet som 7 og kjølekanalene som 8. Reaktoren er også utstyrt med styrestaver, men disse er heller ikke vist på figuren. Stigeren er fylt til randen 9 med vann som tjener som moderator og kjølemiddel. I nedløpet 5 er det også vann. Vann-nivået i nedløpet er lavere enn i stigeren og er på figuren merket 10. På grunn av den nukleære varmen som utvikles i reaktorkjernen fordamper en del av kjølevannet i kjernen. Damp/vann blandingen strømmer oppover gjennom de vertikale kjølekanalene 8 ved naturlig konveksjon siden damp/vann-kolonnen i reaktorkjernen og stigeren er lettere enn vannkolonnen i nedløpet. Dampen samles i et damprom 11 og ledes derfrå ut gjennom damputtaket 12 mens vannet fra toppen av stigeren renner ned i nedløpet for fortsatt sirkulasjon. I damputtaket 12 er plassert en styrbar ventil 13. Dampen brukes i en dampturbin eller annen dampforbrukende anordning som ikke er vist på figuren. Kondensatet føres tilbake til reaktortanken gjennom rørledningen Gjennom hull 15 ved reaktortankens bunn står vannet i reaktortanken i åpen forbindelse med vannet i brønnen. Hensikten med hullene 15 er at vann skal strømme fra reaktortanken 2 og ut i brønnen 1 og senke vann-nivået i nedløpet 5 når reaktoren produserer mer damp enn det som dras ut av damputtaket 12. Når reaktoren produserer mindre damp enn hva som tas ut, suges vann inn i reaktortanken 2 og vann-nivået i nedløpet stiger. Vann-kolonnen i nedløpet 5 utgjør drivtrykket for strømningen gjennom kjernen 6 og stigeren slik at når vann-nivået i nedløpet 5 stiger, øker strømningshastigheten gjennom reaktorkjernen 6. Volum-mengden av damp i kjernen reduseres derfor og reaktoreffekten stiger på grunn av kjernens negative kavitetsreaktivitetskoeffisient.
123496 119 Termohydrauliske og reaktorfysiske beregninger for en kokendevannreaktor hvor effekten styres ved hjelp av framgangsmåten ifølge oppfinnelsen er blitt utført under følgende forutsetninger: En kjernereaktor som i det vesentlige tilsvarer den som er beskrevet ovenfor er plassert i bunnen av en 150 m dyp brønn som inneholder lettvann. Reaktoren har en kjerne som inneholder 7.500 kg UOg, 2,8$ anriket på U-235> i form av brenselsstaver med en diameter på mm som er kapslet i Zircaloy 2 (inneholdende 1,20-1,70$ Sn, 0,007-0,20$ Fe, 0,05-0,15$ Cr, 0,03-0,08$ Ni, tilsaranen 0,l8-0,38$ Fe + Cr + Ni, 0,09-0,16% 0 og resten Zr), Kjernen, som har en høyde og nominell diameter på henholdsvis 1,1+ og 1,8 m, er oppdelt i 52 kanaler med kvadratisk horisontalsnitt. Disse inneholder hver et brenselselement med 61+ brenselsstaver. Uran/vann-forholdet i kjernen er 3, mens stigerens høyde er 5 m og ned- 2 løpets tverrsnitt er 7.5 m. I driftsperioden blir 13 av de 52 brenselselementene byttet ut med nye ved hver brenselsutskifting. Beregningene viste at ved en nominell effekt på 75 MW termisk, d.v.s. en gjennomsnitts effekt på 1.1+50 kw for hvert brenselselement, fikk kjernen en overskuddsreaktivitet på 8$ A k ved oppstarting etter første ladning. For å motvirke denne overskuddsreaktiviteten måtte kjernen drives med en gjennomsnittskavitet på 59$, noe som innebar en kavitets-reaktivitetskoeffisient på -Q,kfe A k/# kavitet. Under disse betingelser ble vann-nivået i tanken liggende ea. l+,5 m under toppen av stigeren. Gjennomsnittsutbrenningen ble beregnet til ca. 28 MWd/kg UOg "og tidsrommet mellom to utskiftinger av brensel ble funnet å tilsvare ca. 700 dager ved full effekt. Overskuddsreaktiviteten sank noenlunde lineært med utbrenningen. Vannnivået i nedløpet steg derfor for å redusere kavitetsfraksjonen i kjernen. Først i perioden mellom to brenselsutskiftinger steg vann-nivået sakte og så raskere og raskere mot slutten av perioden. Når vann-nivået nådde toppen av stigeren, ble kjernen drevet med ca. 23$ gjennomsnittskavitet, og kavitets-reaktivitetskoeffisienten var -0,15$ A k/$ kavitet. Reaktoren måtte nå stoppes for brenselsutskifting. Av figur 2 framgår det at det er en nesten lineær avhengighet i det aktuelle området mellom strømningshastigheten og vann-nivået i nedløpet. Figur 3 og 1+ viser hvordan overskuddsreaktiviteten og vann-nivået i nedløpet ved nominell effekt vil variere under driftsperioden. Det er her forutsatt at brenselskjernen har nådd likevekt i utbrenning. Figur 5 viser hvordan gjennomsnittskavitsten i en kanal er avhengig av brenselselementeffekten og av vann-nivået i nedløpet. De strekede linjer angir mulig driftsområde ved start av perioden, midt i perioden' og ved slutten av perioden. Man kan se at ved slutten av perioden finnes ingen mulighet for å øke effekten utover den nominelle, det vil si 1.1+50 kw. Fra figur 5 kan man også få en oppfatning om hvor følsom effekten er for forandringer av vann-nivået. Fore-
7 123496 løpige undersøkelser tyder imidlertid på at systemet vil bli dynamisk stabilt. Om man skulle få stabiliseringsproblemer under deler av perioden, kan man styre vann-nivået ved hjelp av ventilen 13 i damprøret 12. Start av reaktoren må skje ved hjelp av styrestaver, og med vann-nivået over toppen av stigeren. ' Når effekten er nådd opp i for eksempel 30$ av full effekt, lar man vann-nivået synke ned under toppen av stigeren, og kavitets-reaktivitetskontrollen tar automatisk over effektstyringen. ' Man kan nå dra ut styrestavene en etter en og vann-nivået i nedløpet vil synke litt for hver stav som dras ut. Eksempel 2 På figur 6 er som på figur 1 reaktortanken betegnet 2, den vertikale vegg 3, stigeren nedløpet 5, reaktorkjernen 6, brenselselementene 7, kjølekanalene 8, den øvre rand av stigeren 9> vann-nivået i nedløpet 10, damprommet 11 og damputtaket 12. Reaktortanken 2 er ved sin nedre ende ved hjelp av en rørledning l6 forbundet med en reservoirtank 17 som er delvis fylt med vann. Over vann-nivået i reservoirtanken 17 er det et gassvolum 18. Kondensatet føres ikke direkte tilbake til reaktortanken som i eksempel 1, men inn i resorvoirtanken gjennom røret 19. Størrelsen på gassvolumet 18 må velges slik at trykket i gassen og derved også trykket i reaktortanken ikke forandres for mye under normal drift når vannet fra nedløpet tvinges inn i reservoirtanken eller motsatt under en effektforandring. For å holde reøktortrykket tilnærmet konstant under hele driftsperioden kan det anvendes et system som automatisk tilfører eller fjerner gass eller vann fra reservoirtanken 17- Slike systemer er velkjente i teknikken og er ikke vist på figuren. Forøvrig oppfører reaktoren seg ved det arrangement som er vist på figur 6 på samme måte som ved det arrangement som er vist i figur 1. Eksempel 3 På figur 7 er betegnelsene de samme som på figur 6, bortsett fra at det i rørledningen 16 er plassert en pumpe 20 og en ventil 21. Reaktoreffekten styres ved positiv styring av vann-nivået i nedløpet 5. Denne styringen foregår ved hjelp av et pumpe- og ventil-arrangement 20,21. Trykket i reaktortanken holdes konstant ved hjelp av en ventil (ikke vist) i damputtaket 12. I dette eksemplet er dessuten stigeren ^ oppdelt i tre regioner hvor den sentrale regionen har større lengde enn den midtre regionen som igjen er lengere enn den perifere. Den øvre rand f) av stigeren ligger således på tre forskjellige nivåer som vist på figuren. For å unngå at vann faller fra stigerens senterregion ned mot utløpet av kjølekanalene like -utenfor og derved skaper et stort og varierende mottrykk i disse kanalene, kan det anordnes spesielle arrangementer som ledeplater og lignende. Dette er imidlertid ikke vist på figuren.
123496 121 PATENTKRAV 1. Framgangsmåte til styring av en kokendevannreaktor som omfatter en reaktortank (2), en reaktorkjerne (6) plassert i reaktortanken, en stiger (It) umiddelbart over reaktorkjernen, et nedløp (5), et damprom (li), et damputtak. (12) og en vannmengde som sirkulerer ved naturlig sirkulasjon i et kretsløp gjennom reaktorkjernen, stigeren og nedløpet, delvis fordamper i reaktorkjernen og avgir damp til damprommet, karakterisert ved at sirkulasjonshastigheten gjennom reaktorkjernen og derved reaktorens kavitetsfraksjon styres av vannets nivå (10) i nedløpet i forhold til stigerens øvre rand (9) idet nivået (10) reguleres ved hjelp av trykket i damprommet (li). 2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trykket i damprommet styres av en ventil (13) i damputtaket. 3. Framgangsmåte ifølge krav 1-2,karakterisert ved at vannets nivå i nedløpet reguleres ved å føre vann til eller fra et ytre reservoir forbundet med reaktortanken. h-. Framgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at vannet kan strømme fritt til eller fra det ytre reservoir og at dette holdes under tilnærmet konstant trykk. 5. Framgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at vannet føres gjennom strømningskontrollerende organer (20,2l) mellom reaktortanken og det ytre reservoir. 6. Kokendevannreaktor til utførelse av framgangsmåten ifølge krav 1-5, som omfatter en reaktortank (2), en reaktorkjerne (6), omfattende et antall brensels elementer, plassert i reaktortanken, en stiger (b), et nedløp (5) og en vannmengde som sirkulerer ved naturlig sirkulasjon gjennom reaktorkjernen, stigeren og nedløpet, karakterisert ved at stigeren ved hjelp av vertikale vegger er delt i seksjoner med parallell sirkulasjon. 7. Kokendevannreaktor ifølge krav 6,karakterisert ved at hvert brenselselement er omsluttet av en ledekappe og at stigeren er dannet av forlengelser av ledekappene. 8. Kokendevannreaktor ifølge krav 6-7, karakterisert ved at stigerens øvre rand (9) er avtrappet i trinn. Anførte publi kasjon er: Svensk patent nr. 218.222 Tysk uti. skrift nr. 1.010.222
FIG. 1. 123496
133496 1450 kw Bnenselselement effel;t (KW) FIG. 2.
123496 <J Full effekt dager FIG. 3. FIG. 4.
FIG. 5. 123496 125
FIG. 6. 123496
FIG. 7. 123496