DE1179650B

DE1179650B - Fuel element for liquid- or gas-cooled heterogeneous nuclear reactors

Info

Publication number: DE1179650B
Application number: DES64986A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Heinz Stehle
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-09-18
Filing date: 1959-09-18
Publication date: 1964-10-15

Description

Brennelement für flüssigkeits- oder gasgekühlte heterogene Atomreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement aus ummanteltem drahtförmigem und spulenartig gewickeltem Spaltstoffmaterial für fiüssigkeits- oder gasgekühlte heterogene Atomreaktoren.Fuel element for liquid- or gas-cooled heterogeneous nuclear reactors The invention relates to a fuel assembly made of jacketed wire-shaped and Coil-like wound fissile material for liquid- or gas-cooled heterogeneous ones Nuclear reactors.

Bei heterogenen Kernreaktoren befinden sich die den Spaltstoff enthaltenden Brennelemente innerhalb von Kühlkanälen und geben die in ihnen erzeugte Wärme an ein entsprechendes flüssiges oder auch gasförmiges Kühlmittel ab. Die zulässige Leistungsdichte im Spaltstoff ist dabei durch die zulässige Heizflächenbelastung begrenzt. Aus diesem Grunde ist es üblich, den Spaltstoff in Form von dünnen Stäben, Hohlrohren oder Platten anzuordnen, an denen gegebenenfalls zusätzliche, die Oberfläche vergrößernde Kühlflächen angebracht sind. Die Herstellung dieser Bauformen ist oftmals mit Schwierigkeiten verbunden. Außerdem begrenzen die Abbrandeffekte die Einsatzdauer dieser Brennelemente oft stark.In the case of heterogeneous nuclear reactors, those containing the fissile material are located Fuel assemblies within cooling channels and indicate the heat generated in them a corresponding liquid or gaseous coolant. The permissible The power density in the fissile material is determined by the permissible heating surface load limited. For this reason, it is common to use the fissile material in the form of thin rods, To arrange hollow pipes or plates, on which, if necessary, additional, the surface enlarging cooling surfaces are attached. The manufacture of these designs is often associated with difficulties. In addition, the burn-off effects limit the duration of use these fuel elements are often strong.

Es sind weiter Brennelemente bekanntgeworden, die aus einer elastischen, in ihrer Länge einstellbaren Drahtwendel bestehen. Solche Elemente halten sich nicht selbst und sind daher innerhalb der Kühlmittelströmung Schwingungen ausgesetzt, die leicht zu mechanischen Schäden - also zu einem Ausfall des Elementes - führen können. Hinzu kommt, daß die Spaltstoffkonzentration nur eine sehr geringe sein kann.There are also known fuel assemblies, which are made of an elastic, exist in their length adjustable wire helix. Such elements do not last themselves and are therefore exposed to vibrations within the coolant flow, which easily lead to mechanical damage - i.e. to failure of the element can. In addition, the fissile material concentration can only be very low can.

Die vorliegende Erfindung vermindert diese Nachteile und schlägt ein Brennelement vor, das erfindungsgemäß durch stellenweise Verbindung der Spulenwindungen untereinander oder mit einem Tragkörper zu einem im wesentlichen in sich starren Körper mit regelmäßigem geometrischem Aufbau verfestigt ist. Die Ummantelung. kann vorteilhaft aus korrosionsbeständigem nicht spaltbarem Material gebildet sein. Die F i g. 1 bis 5 zeigen Beispiele verschiedener Aufbaumöglichkeiten, an denen das Wesen der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden soll.The present invention alleviates and addresses these disadvantages Fuel assembly before, according to the invention by connecting the coil turns in places with one another or with a support body to form an essentially rigid one Solid body with a regular geometric structure. The sheath. can be advantageously formed from corrosion-resistant non-cleavable material. the F i g. 1 to 5 show examples of different assembly options on which the Essence of the present invention is to be explained in more detail.

Gegenüber gebräuchlichen Formen von Spaltstoffen, die meistens in Stab-, Rohr- oder Plattenform Verwendung finden, wird bei dieser Erfindung von einem Urandraht ausgegangen. Dieser kann aus Uranmetall oder aus einer Uranlegierung bestehen und wird nach den üblichen Verfahren hergestellt. Dabei kann vorteilhaft gleichzeitig eine metallische Ummantelung mit aufgebracht werden, um während des Betriebes entstehende Spaltprodukte zurückzuhalten und den Spaltstoff selbst gegen Korrosion zu schützen. Ähnlich wie bei den Drahtherstellungsverfahren für andere Metalle kann auch hier der Überzug mit dem Urankern gemeinsam dem Ziehprozeß unterworfen werden.Compared to common forms of fissile materials, which are mostly in Rod, tube or plate form use is used in this invention of one Run out of uranium wire. This can consist of uranium metal or a uranium alloy and is manufactured according to the usual methods. It can be advantageous at the same time a metallic sheathing can be applied to prevent damage occurring during operation Retaining fission products and protecting the fission material itself against corrosion. Similar to the wire production process for other metals can also be used here the coating with the uranium core are subjected to the drawing process together.

Ebenfalls sind anschließende Wärmebehandlungen zweckmäßig, um eventuelle Ziehtexturen zu beseitigen. Die weitere Verarbeitung des Drahtes zu den eigentlichen Brennelementen kann gewissermaßen von der Trommel aus erfolgen.Subsequent heat treatments are also useful to avoid any Eliminate drawing textures. The further processing of the wire to the actual Fuel elements can to a certain extent be carried out from the drum.

In einer anderen Ausführungsform kann der Brennstoffdraht aus einer dünnen, plastisch biegbaren Hülle bestehen, in welche nichtmetallischer Spaltstoff (z. B. U02) eingepreßt ist. Die Herstellung kann erfolgen, indem man loses Pulver in dünne Rohre eines etwas größeren Durchmessers einfüllt und Durchmesser und Wandstärke unter gleichzeitiger Verdichtung des keramischen Brennstoffes durch Rundhämmern reduziert.In another embodiment, the fuel wire can consist of a thin, plastically bendable sheath, in which non-metallic fissile material (e.g. U02) is pressed in. Manufacture can be done by getting loose powder filled into thin tubes of a slightly larger diameter and diameter and wall thickness with simultaneous compression of the ceramic fuel by rotary hammering reduced.

Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Brennelementaufbau bildet der Spaltstoffdraht 1 eine zylindrische Wicklung um einen Spulenkörper, der aus den in einem Sechseck angeordneten Stäben 2, die beispielsweise auch hohl sein können, sowie den Stegen 3 besteht. Die F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch eine derartige Spulenanordnung. Hierin sind wiederum die Stege 3 'und die Hohlstäbe 2 deutlich zu sehen. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Urandrähte 1 mit Abstand gewickelt sind, um den Durchtritt des Kühlmittels zwischen den Windungen und damit eine bessere Kühlwirkung zu ermöglichen. Dies wird weiter unterstützt durch das Strömungsleitrohr 4, das in Verbindung mit der Innenwandung des Kühlkanals 5 für eine dichte Führung des Kühlmittels entlang der Windungen sorgt. Zur Halterung der Windungen auf dem vorgesehenen Abstand werden diese wenigstens teilweise an den Berührungspunkten mit den Stäben 2 verbunden, beispielsweise verlötet. Die offenen Enden des Drahtes am Anfang und am Ende einer derartigen »Brennelementspule« werden durch Aufdampfen eines geeigneten Metalls oder durch Auflöten einer entsprechenden Kapsel abgedichtet.In the case of the FIG. 1 shown forms the fuel assembly Carbon wire 1 has a cylindrical winding around a bobbin, which consists of the rods 2 arranged in a hexagon, which can also be hollow, for example, as well as the webs 3 consists. The F i g. 2 is a longitudinal section through one of these Coil arrangement. The webs 3 'and the hollow rods 2 are again clear here to see. It can also be seen that the uranium wires 1 are wound at a distance are to the passage of the coolant between the windings and thus a better To enable cooling effect. This is further supported by the flow guide tube 4, in conjunction with the inner wall of the cooling channel 5 for a tight guidance of the coolant along the windings. To hold the turns on the provided distance, these are at least partially at the points of contact connected to the rods 2, for example soldered. The open ends of the wire at the beginning and at the end of such a "fuel element coil" are deposited by vapor deposition one suitable metal or sealed by soldering a corresponding capsule.

F i g. 3 zeigt schematisch einen Weg zur elastischen Gestaltung des Tragkörpers. Hier werden die Stege 3 aus federndem Material in vorgespannter Form mit den Längsstegen 2 verbunden und ermöglichen somit bei einer Längsausdehnung des Drahtes eine Durchmesservergrößerung der Spule.F i g. 3 shows schematically a way to make the elastic Support body. Here, the webs 3 are made of resilient material in a prestressed form connected to the longitudinal webs 2 and thus enable a longitudinal expansion of the wire an increase in the diameter of the coil.

Eine andere Möglichkeit zeigt die F i g. 4. Die gelenkigen Stege 3 werden an ihren Mittelpunkten durch Stäbe mit zwischengehalterten Zugfedern 7 verbunden, die auf Grund der Hebelübersetzung eine Durchmesservergrößerung des Tragkörpers bei sich längenden Spaltstoffdrähten ermöglichen. Es sind natürlich noch andere Konstruktionen denkbar, um den Tragkörper elastisch nachgiebig zu gestalten.Another possibility is shown in FIG. 4. The articulated bars 3 are connected at their centers by rods with tension springs 7 held between them, which, due to the leverage, increases the diameter of the support body enable when the wires are elongated. There are, of course, others Constructions are conceivable to make the support body elastically flexible.

Eine andere Möglichkeit des Brennelementaufbaues, jedoch ohne Tragkörper, besteht darin, dem Brennelement die Gestalt einer Kreuzwickelspule zu geben, deren Windungen an den Berührungsstellen fest miteinander verbunden, z. B. verlötet sind. Ein derartiger Brennelementaufbau ist im Querschnitt in der F i g. 5 dargestellt. Das Wickeln der Spaltstoffdrähte erfolgt über die Wickelstege 9. Anschließend erfolgt die Verbindung dieser Drähte an den Berührungsstellen 8, beispielsweise durch Lötung. Dadurch erhält der gesamte Körper eine derartige Festigkeit, daß sich die Wickelstege 9 erübrigen und herausgezogen werden können. Bei dieser Brennelementfonn, die hier fünfeckig angenommen wurde, kann sich ebenfalls ein Strömungsleitzylinder 4 als zweckmäßig erweisen. Diese Anordnung ist zwar gegenüber den vorbeschriebenen etwas komplizierter, hat aber drei große Vorteile: 1. Der Spaltstoffdraht kann ohne Abstand dicht an dicht gewickelt werden.Another possibility of the fuel assembly structure, but without a support body, is to give the fuel assembly the shape of a cross-wound bobbin, the turns of which are firmly connected to each other at the points of contact, e.g. B. are soldered. Such a fuel assembly structure is shown in cross section in FIG. 5 shown. The winding of the wires of the fissile material takes place via the winding webs 9. These wires are then connected at the contact points 8, for example by soldering. This gives the entire body such a strength that the winding webs 9 are unnecessary and can be pulled out. In the case of this fuel element shape, which has been assumed to be pentagonal here, a flow guide cylinder 4 can also prove to be expedient. Although this arrangement is somewhat more complicated than the one described above, it has three major advantages: 1. The wire can be wound close together without a gap.

2. Durch die sich im Kühlmittel kreuzenden Drähte wird in diesem eine größere Turbulenz hervorgerufen und somit eine bessere Kühlwirkung erzielt.2. The wires crossing each other in the coolant create a caused greater turbulence and thus achieved a better cooling effect.

3. In der Volumeinheit kann wesentlich mehr Spaltstoffmaterial untergebracht werden, was gleichbedeutend ist mit einer kompakteren Aufbaumöglichkeit des gesamten Reaktors.3. Much more fissile material can be accommodated in the volume unit become, which is synonymous with a more compact structure of the whole Reactor.

Selbstverständlich ist eine derartige Kreuzwickelspule nicht auf einen fünfeckigen Aufbau beschränkt. Auch können die um die zylindrische Oberfläche gewickelten Drahtpartien gewölbt sein, um der Spule das äußere Bild einer mehr kreiszylindrischen Anordnung zu geben. Diese Anordnung hat außerdem den Vorteil, die unterschiedliche Längenausdehnung zwischen diesen Drahtpartien an der Peripherie und im Inneren der Kreuzwickelspule ohne Schwierigkeiten aufzufangen.Of course, such a cross-wound bobbin is not on one pentagonal structure limited. They can also be wound around the cylindrical surface Wire sections be arched to give the coil the outer appearance of a more circular cylindrical shape To give arrangement. This arrangement also has the advantage of being different Linear expansion between these wire sections on the periphery and inside the Catch the cross-wound bobbin without difficulty.

Der Strömungszylinder im Inneren derartiger spulenförmiger Brennelemente kann -falls er überhaupt erforderlich ist - selbstverständlich auch mit zusätzlichen Wirbel- und Strömungsleitflächen versehen sein; auch in seiner Querschnittsform kann er der jeweiligen »Brennelementspule« angepaßt sein.The flow cylinder inside such coil-shaped fuel assemblies can - if it is required at all - of course with additional Vortex and flow guide surfaces be provided; also in its cross-sectional shape it can be adapted to the respective »fuel element coil«.

In gleicher Weise können selbstverständlich auch Brutelemente, z. B. aus Thorium; gestaltet werden, insbesondere dann, wenn diese ohne Zwischenaufbereitung nach Abschluß der Konvertierung als Brennelemente weiter verwendet werden sollen.In the same way, of course, breeding elements such. B. from thorium; be designed, especially if this is done without intermediate processing are to be used as fuel assemblies after the conversion has been completed.

Diese Beispiele erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, es sind noch viele andere Wickelformen denkbar. So wäre es z. B. auch möglich, den Spaltstoffdraht in Längsrichtung des Brennelementes zu wickeln.These examples are by no means exhaustive, they are many other forms of winding are also conceivable. So it would be B. also possible, the carbon wire to wind in the longitudinal direction of the fuel assembly.

Claims

Claims: 1. Fuel element made of sheathed wire-shaped and coil-like wound fissile material for liquid or gas-cooled heterogeneous nuclear reactors, characterized in that it is solidified by connecting the coil windings to one another or to a supporting body to form an essentially rigid body with a regular geometric structure . z. Fuel element according to Claim 1, characterized in that it has a cylindrical cross-winding-like coil shape. 3. Fuel element according to claim 1, characterized in that the wire of the fissile material is wound onto an elastic support body and fastened, for example soldered. 4. Fuel element according to claim 1, characterized in that it has the shape of a supporting body-free cross-wound bobbin, the turns of which are firmly connected to each other at the points of contact, for. B. are soldered. 5. Fuel element according to claim 1, characterized in that the coil is wound from tubular wire. 6. Fuel element according to claim 1, characterized in that there are flow guide bodies in the interior of the coil. Documents considered: German Auslegeschriften No. 1037 607; 1,041,178; 1056 748.