DE1097582B - Nuclear reactor fuel element - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, bei dem die Brennstoffelemente netz- oder gitterartig angeordnet sind, die durch ein Strömungsmittel gekühlt werden.The invention relates to a fuel element for a nuclear reactor, in which the fuel elements are arranged like a net or grid, which are cooled by a fluid.
Es ist bekannt, Kernbrennstoffstäbe oder -streifen, beispielsweise aus Uran, in ein Material mit niedrigem Neutronenabsorptionsvermögen einzuhüllen und den Kernbrennstoff durch einen Kühlmittelstrom in Kontakt mit dem Hüllenmaterial zu kühlen. Wenn mitunter das Zusammenbrechen bzw. die Zerstörung des Mantel- oder Hüllenmaterials aus Sicherheitsgründen bei ungewöhnlichen Bedingungen oder Umständen in Kauf genommen wird, dann wird ein Material mit einem geeigneten Betriebstemperaturbereich ausgewählt, wobei die Neutronenabsorptionswirkung erst in zweiter Linie in Betracht kommt. In einem solchen Fall findet man sich mit der Vermindederung des nuklearen Wirkungsgrades ab.It is known to convert nuclear fuel rods or strips, for example made of uranium, into a material with low Enveloping neutron absorption and the nuclear fuel through a coolant flow in To cool contact with the shell material. If sometimes the collapse or the destruction of the jacket or shell material for safety reasons in unusual conditions or circumstances is accepted, then a material with a suitable operating temperature range is used selected, whereby the neutron absorption effect comes into consideration only in the second place. In such a case is accepted with the decrease in nuclear efficiency.
Das Brennstoffelement nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es einem aus festem Moderatormaterial bestehenden Kern aufweist, auf dessen äußerer Oberfläche Spaltstoff aufgebracht ist, und daß der Moderator-Spaltstoffkörper von einer Hülle (einem Behälter) aus einem Material mit hohem Thermalneutronenwirkungsquerschnitt umgeben ist.The fuel element according to the invention is characterized in that it is one of solid Moderator material has existing core, on the outer surface of which fissile material is applied, and that the moderator fissile material body is comprised of a shell (a container) made of a material high thermal neutron cross-section is surrounded.
Platten aus spaltbarem Material sind gemäß der Erfindung" an der Innenfläche eines Behälters befestigt, der aus dem erwähnten Hüllenmaterial hergestellt und mit Moderatormaterial gefüllt ist, wobei eine Mehrzahl dieser Behälter mit Abstand voneinander angeordnet sind, um ein Kühlmittel zwischen ihnen durchzulassen. Die Behälter können eine sechseckige prismatische Form haben, und eine Platte aus spaltbarem Material wird mittels festen Moderatormaterials, welches sich innerhalb des Behälters befindet, gegen die Innenseite jeder Sechseckfläche gehalten bzw. gepreßt. Diese Platten können aus schwach angereicherten Urandioxydeinsätzen in den Flächen eines im Schnitt sechseckigen Stabes aus Berryllium bestehen, wobei der Behälter aus Stahl hergestellt ist.According to the invention, panels of fissile material are "attached to the inner surface of a container, which is made of the aforementioned shell material and filled with moderator material, one A plurality of these containers are spaced apart to keep a coolant between them to let through. The containers can have a hexagonal prismatic shape, and a plate of fissile Material is made by means of solid moderator material, which is located inside the container, held or pressed against the inside of each hexagonal face. These plates can be made from weakly enriched Uranium dioxide inserts in the surfaces of a hexagonal rod made of berryllium consist, wherein the container is made of steel.
Gemäß einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung sind die Brennstoffelemente durchbohrt bzw. hohl und werden von Kühlmittelkanälen durchdrungen, deren Wände aus einem Material von hohem Thermalneutronenwirkungsquerschnitt bestehen, das sich mit dem Kühlmittel bei Betriebstemperatur verträgt.According to a modified embodiment of the invention, the fuel elements are pierced or hollow and are penetrated by coolant channels, the walls of which are made of a material of high Thermal neutron cross-section that interacts with the coolant at operating temperature tolerates.
Das Brennstoffelement nach der Erfindung wird im wesentlichen über ein erstes Teilstück seiner Oberfläche hinweg durch ein erstes Material, welches optimale Kerneigenschaften, d. h. einen niedrigen Wirkungsquerschnitt für Thermalneutronen besitzt, und über ein zweites Teilstück seiner OberflächeThe fuel element according to the invention is essentially over a first portion of his Surface through a first material which has optimal core properties, i. H. a low one Has cross-section for thermal neutrons, and a second part of its surface
Kernreaktor-BrennstoffelementNuclear reactor fuel element
Anmelder:Applicant:
United Kingdom Atomic Energy Authority, LondonUnited Kingdom Atomic Energy Authority, London
Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Oranienstr. 14Representative: Dipl.-Ing. E. Schubert, patent attorney,
Siegen, Oranienstr. 14th
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 25. November 1957Claimed priority:
Great Britain 25 November 1957
Roy Alfred Ulfketel Huddle,
East Ilsley, Newbury, Berkshire,Roy Alfred Ulfketel Huddle,
East Ilsley, Newbury, Berkshire,
und Gerald Arthur Hughes,and Gerald Arthur Hughes,
Abingdon, Berkshire (Großbritannien),Abingdon, Berkshire (UK),
sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors
hinweg durch ein zweites Material abgegrenzt, welches optimale physikalische und chemische Eigenschaften in bezug auf das gewählte Kühlmittel besitzt. Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung stellt einen schaubildlichen Querschnitt durch ein Brennstoffelement dar, das von sechs gleichartigen, nur teilweise angedeuteten Brennstoffelementen umgeben ist, und gibt somit über den gitterartigen Aufbau des Reaktorkernes hinreichend Aufschluß.delimited by a second material, which has optimal physical and chemical properties with respect to the selected coolant. The invention is now based on it, for example reproducing drawing are explained in more detail. The drawing represents a graphical one Cross section through a fuel element, that of six similar, only partially indicated fuel elements is surrounded, and is thus sufficient over the grid-like structure of the reactor core Exposure.
Das Brennstoffelement besteht im dargestellten Falle aus einem zusammengesetzten sechseckigen Stab 1 aus Beryllium mit einer Dichte von beispielsweise 2,5 g/cm3, der an jeder seiner sechs Außenflächen mit einem Uran enthaltenen Einsatz 2 in Form einer flachen Platte ausgestattet ist. Dieser Moderator-Spaltstoffkörper ist in einer rostfreien Stahl- oder einer verchromten. Flußstahlhülle 3 untergebracht. Geeignete Abmessungen der Hülle 3 sind 15,24 bis 20,32 cm, gemessen über die flachen Seiten, und 1,83 bis 2,44 m Länge.In the case shown, the fuel element consists of a composite hexagonal rod 1 made of beryllium with a density of, for example, 2.5 g / cm 3 , which is equipped on each of its six outer surfaces with an insert 2 containing uranium in the form of a flat plate. This moderator fissile material body is in a stainless steel or a chrome-plated. Mild steel shell 3 housed. Suitable dimensions of the envelope 3 are 15.24 to 20.32 cm, measured across the flat sides, and 1.83 to 2.44 m in length.
Eine Mehrzahl derartiger Brennstoffelemente wird parallel zueinander durch Keramik-Abstandbauteile 4 an den Ecken der Sechsecke gehalten.A plurality of such fuel elements are parallel to one another by ceramic spacers 4 held at the corners of the hexagons.
Ein Kühlmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, welche unter Druck stehen, wird durch die Kanäle 5 zwischen den Bauteilen eines jeden Brennstoffelementenpaares hindurch zum Strömen gebracht.A coolant, such as oxygen or air, which are under pressure, is through the Channels 5 brought through between the components of each fuel element pair to flow.
003 699/412003 699/412
Somit befindet sich die ..Hülle.3 im wesentlichen, an Stellen eines Kleinstneutronenflusses. Es kann daher ein Brennstoff, der nur bis auf 3fl/o angereichert ist, verwendet werden.Thus, the ..Hülle.3 is essentially at points of a micro-neutron flux. A fuel that is only enriched to 3 fl / o can therefore be used.
Die Brennstoffbauteile 2 können durch bekannte Preß- oder Sinterverfahren aus schwach angereichertem Urandioxyd, welches bis zu 50 Volumprozent in Beryllium oder Aluminium zur Dispersion gebracht ist, hergestellt werden. Die Brennstoffbauteile 2 werden vorzugsweise in der vorgeschriebenen Stellung in Aussparungen im Berylliumstab 1 mit Hilfe eines Zementmörtels gehalten, welcher aus einem Gemisch, beispielsweise MgO-Al3O3-SiO3, besteht, das gewöhnlich als Flußmittel zur Verwendung kommt.The fuel components 2 can be produced by known pressing or sintering processes from weakly enriched uranium dioxide, which is dispersed up to 50 percent by volume in beryllium or aluminum. The fuel components 2 are preferably held in the prescribed position in recesses in the beryllium rod 1 with the aid of a cement mortar which consists of a mixture, for example MgO-Al 3 O 3 -SiO 3 , which is usually used as a flux.
Die Berylliumstäbe 1 können aus kleineren Segmenten, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, zwecks Erleichterung der Herstellung aufgebaut werden und den Moderator bilden. Dieser Gedanke des Umgebens des Moderators mit Kernbrennstoff und des Umhüllens der gesamten Bauteilgruppe hat einen wesentlichen Vorteil im Zusammenhang unter anderem mit der Herabsetzung bzw. Reduktion der Thermal- oder Wärmespannungen im Moderator.The beryllium rods 1 can consist of smaller segments, as indicated by the dashed lines is to be set up for the purpose of facilitating the production and form the moderator. This Thought of surrounding the moderator with nuclear fuel and sheathing the entire assembly group has a significant advantage in connection with, among other things, the reduction or Reduction of thermal or thermal stresses in the moderator.
Bei Betrieb wird durch die in den Brennstoff bauteilen 2 erzeugte Wärme der Berylliumstab 1 gleichmäßig erwärmt, so daß während des Reaktorbetriebes ein vernachlässigbares Temperaturgefälle und somit entsprechend geringfügige Beanspruchungen bzw. Spannungen erreicht werden. Darüber hinaus wird das Beryllium heiß, was vom Kernenergiestandpunkt aus gesehen ein Vorteil ist. Das Kühlmittel, welches vorzugsweise ein unter Druck stehendes Gas ist, hat das Bestreben, die Hülle 3 hart bzw. fest gegen die Brennstoffbauteile 2 zu pressen, wodurch eine gute Wärmeübertragung bzw. -leitung nach der Hülle erfolgt. Vorzugsweise wird die Hülle aus dünnem (0,25 mm) Flußstahlblech mit einer nach außen gerichteten Schweißnaht hergestellt, welche an einem Scheitelpunkt vorgesehen ist und in einen der Ab-Standsbauteile 4 eingepaßt wird. Flußstahldrähte von ungefähr gleicher Abmessung können dann an die Oberflächen der Hülle im rechten Winkel zur Kühlmittelströmungsrichtung mittels Punktschweißens befestigt werden, um eine-Wirbelung hervorzurufen und die Wärmeübertragung bzw. -leitung zu verbessern. Die gesamte Bauteilgruppe kann daraufhin verchromt werden.During operation, the components in the fuel are used 2 heat generated by the beryllium rod 1 is evenly heated, so that during reactor operation a negligible temperature gradient and thus correspondingly minor stresses or stresses Tensions are reached. In addition, the beryllium gets hot, which is from the nuclear power point of view is an advantage from a standpoint. The coolant, which is preferably a pressurized gas, has the effort to press the shell 3 hard or firmly against the fuel components 2, whereby a good Heat transfer or conduction takes place after the shell. Preferably the sheath is made of thin (0.25 mm) mild steel sheet with an outwardly directed weld seam, which is on a Vertex is provided and is fitted into one of the stand components 4 from. Mild steel wires from approximately the same dimension can then be attached to the surfaces of the shell at right angles to the coolant flow direction be attached by spot welding to create a vortex and improve heat transfer or conduction. The entire component group can then be chrome plated.
Das beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel vorzugsweise zur Verwendung kommende Kühlmittel ist Luft oder Sauerstoff. Bei einem derartigen Kühlmittel treten praktisch keine Schwierigkeiten im Verhalten des Brennstoffes und des Moderators auf; darüber hinaus treten, auch keine Schwierigkeiten unter Unfall- bzw. Notverhältnissen auf, bei welchen es zu einem Lufteintritt in den Primärkreislauf hinein kommt. Bei einer Einlaßtemperatur in Höhe von 350° C und einer Auslaß-Mischgastemperatur von beispielsweise 700° C würde es möglich sein, den Druckbehälter auf eine Temperatur zwischen 300 und 400° G zu halten. Er kann daher aus einem geeigneten Kohlenstoffstahl mit Nickelchrom-Legierungs- oder rostfreien Stahl-Aufprallplatten hergestellt werden. Bei diesen Temperaturen und mit diesen Materialien treten keine Oxydationsprobleme auf.The coolant preferably used in the embodiment described above is air or oxygen. With such a coolant there are practically no difficulties in Behavior of the fuel and the moderator; In addition, there are also no difficulties under accident or emergency conditions, in which there is an entry of air into the primary circuit comes. At an inlet temperature of 350 ° C and an outlet mixed gas temperature of for example 700 ° C it would be possible to bring the pressure vessel to a temperature between 300 and 400 ° G to hold. It can therefore be made of a suitable carbon steel with nickel-chromium alloy or stainless steel impact plates are made. At these temperatures and with these materials there are no oxidation problems.
Der Reaktorkern kann, um 100 MW (Megawatt) Wärme bei 3% angereicherten Kernbrennstoff bauteilen 2 zu erreichen, einhundertneunzehn der vorbeschriebenen Brennstoffelemente aufweisen, die so bemessen sind, daß sie einen 1,83 m hohen aufrecht stehenden zylindrischen Kern bilden, und er kann mit einem 0,61 m hohen Reflektor ausgestattet sein.The reactor core can build up to 100 MW (megawatts) of heat with 3% enriched nuclear fuel 2, have one hundred and nineteen of the fuel elements described above, so that are dimensioned that they form a 1.83 m high upright cylindrical core, and he can with be equipped with a 0.61 m high reflector.
Die Erfindung kann, bei Brutelementen eines Reaktorkernes angewandt werden, wobei Thoriumdioxyd beispielsweise an Stelle von Urandioxyd verwendet wird.The invention can, with breeding elements of a reactor core can be used, with thorium dioxide being used, for example, instead of uranium dioxide will.
Claims (5)
Britische Patentschriften Fr. 768 078, 778 881.Considered publications:
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