Generic Investigations on the Effect of Fuel Assembly Design and Plant Parameters on Fuel Assembly Bow in PWRs

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-03-13
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
96
Series
Abstract
PWR fuel assemblies (FA) are responsible for holding the fuel matrix spatially in place and allowing the insertion of control rods. In operation, FAs are loaded axially by the hold down device and subjected to lateral forces inflicted by the coolant flow. In addition, the assemblies are exposed to high temperatures and irradiation and consequently they start to deform due to creep processes and irradiation growth. Fuel assembly bow corresponds to such lateral deformation of the assembly that it is no longer in a straight vertical position. Excessive FA bow may lead to incomplete control rod insertion (IRI) or to mechanical damage on the assemblies during refueling. However, the negative consequences of bow are usually limited to changes in the core power distribution and reduced thermal margins. Finite-element program KWUSTOSS of Framatome was used to simulate FA bow in a row of 15 assemblies. KWUSTOSS couples a finite-element mechanical model of the fuel assemblies with a hydraulic pipe network model for the coolant flow. A parametric approach was selected, in which the parameters of the row model were changed one at a time and the changes in bow were recorded. The studied parameters included: hold down force, guide tube dimensions, clamping stiffness, guide tube material, core shuffling schemes (with rotations), flow profiles and cycle length. The hold down force was discovered to be the most important design parameter in terms of bow. Increase in hold down force led to high bow amplitudes and development of S-shape bow. Increased FA stiffness and improved guide tube creep resistance were found to reduce bow, but to lesser extent. The best countermeasure to bow was discovered to be shuffling schemes with rotations between cycles. Up to 78 % reductions in bow and a near complete elimination of S-shape were achieved with rotations.

Painevesilaitosten polttoainenippujen rakenteen tehtävänä on tukea polttoainesauvoja ja mahdollistaa säätösauvojen syöttö nippuun ohjausputkien kautta. Laitoksen käytön aikana yläpäätykappaleen jouset puristavat nippuja kasaan aksiaalisesti. Lateraalisesti nippuihin kohdistuu jäähdytevirtauksen aiheuttamia voimia. Niput ovat koko käytön ajan altistuneina korkeille lämpötiloille ja voimakkaalle säteilylle, jonka seurauksena nipuissa tapahtuu pysyviä muodonmuutoksia virumisen ja säteilykasvun vaikutuksesta. Polttoainenipun taipuma tarkoittaa tilannetta, jossa taipuneet ohjausputket ovat taivuttaneet koko nippua siten, ettei se ole enää täysin pystysuora. Äärimmäisissä tapauksissa taipuma voi estää säätösauvojen syötön ohjausputkiin, tai aiheuttaa mekaanista vahinkoa nippuihin siirto-operaatioiden aikana vuosihuollossa. Yleisemmin taipumisen haittavaikutukset rajautuvat kuitenkin muutoksiin reaktorin tehojakaumissa ja termisissä käyttörajoissa. Työssä tutkittiin polttoainenippujen taipumaa Framatomen KWUSTOSS ohjelmalla, joka yhdistää nippujen mekaanisen kuvauksen yksiulotteiseen jäähdytevirtausmalliin. Taipuman herkkyyttä eri parametreille tarkasteltiin 15:sta nipun rivissä muuttamalla parametriarvoja yksi kerrallaan. Tarkasteltavat parametrit olivat: yläpäätykappaleen jousivoima, ohjausputken ulkohalkaisija, ohjausputken ja välituen välisen liitännän lujuus, ohjausputken materiaali, siirtosuunnitelmat, virtausprofiili sydämen ala-ja yläosassa ja jaksonpituus. Yläpäätykappaleen jousivoima havaittiin tärkeimmäksi nipun suunnitteluparametriksi taipuman suhteen. Jousivoiman lisääminen johti voimakkaaseen S-tyypin taipumaan. Polttoainenipun jäykkyyttä ja virumisresistenssiä kasvattamalla taipumaa saatiin vähennettyä, mutta tämän vaikutus oli selvästi jousivoimaa vähäisempi. Suurimmat taipuman vähennykset saatiin kääntämällä osaa nipuista siirto-operaatioiden lisäksi. Kääntöjen seurauksena taipuma väheni jopa 78 %.
Description
Supervisor
Tuomisto, Filip
Thesis advisor
Marx, Veit
Ranta-Puska, Kari
Keywords
PWR, painevesilaitos, polttoainenippu, taipuma, deformaatio
Other note
Citation