DE1220942B - Nuclear reactor fuel assembly - Google Patents
Nuclear reactor fuel assemblyInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Tnt. CL:Tnt. CL:
G21cG21c
Deutsche Kl.: 21g-21/20German class: 21g-21/20
Nummer: 1220 942Number: 1220 942
Aktenzeichen: F 36259 VIII c/21 gFile number: F 36259 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 12. März 1962Filing date: March 12, 1962
Auslegetag: 1.4. Juli 1966Display day: 1.4. July 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennelement mit einem für hohe Temperaturen geeigneten zentralen Spaltstoffkern und mit einem diesen Spaltstoffkern umgebenden Mantel, der aus Spaltstoff besteht oder Spaltstoff enthält, wobei dieser Mantel-Spaltstoff vorteilhaftere physikalische Eigenschaften bei einer im Verhältnis zum zentralen Spaltstoffkern niedrigeren Temperatur besitzt. Brennstoffelemente dieser Gattung sind z. B. aus der britischen Patentschrift 813 132 bekannt.The invention relates to a nuclear reactor fuel assembly with one suitable for high temperatures central fissile material core and with a jacket surrounding this fissile material core, which consists of Fissile material consists or contains fissile material, this cladding fissile material being more advantageous physical Has properties at a lower temperature in relation to the central fissile material core. Fuel elements this genus are z. B. from British patent specification 813 132 known.
An die Brennelemente für Kernreaktoren sind gewisse schwer erfüllbare und zum Teil einander widersprechende Forderungen zu stellen. So müssen sie den Temperaturgradienten vertragen können, der im Inneren des Elements herrscht und in gewissen Fällen beträchtliche Werte annehmen kann. Sie müssen ferner den Wärmeschwankungen beim Ingangsetzen und Stillsetzen des Reaktors gewachsen sein. Sie müssen widerstandsfähig gegen Zerstrahlung sein. Auch müssen sie korrosionsbeständig gegen das im Reaktor gewählte Kühlmittel sein. Sie müssen gewissen mechanischen Beanspruchungen widerstehen können,- die aus irgendwelchen Gründen auftreten können. Sie müssen ihre Form beibehalten, und die in den Brennelementen entwickelte Wärme muß nach außen zur Oberfläche des Brennelements geleitet werden, um von dort aus an das im Reaktor befindliche Kühlmittel übertragen zu werden. Es ist offensichtlich nicht leicht, alle diese Forderungen zu erfüllen, und die Wirkungsfähigkeit und Leistungsfähigkeit des Reaktors sind in hohem Maße davon abhängig, wie die erwähnten Probleme gelöst werden.The fuel elements for nuclear reactors have certain difficult to fulfill and sometimes contradicting one another To make demands. So they have to be able to withstand the temperature gradient that occurs in the Inside the element prevails and in certain cases can assume considerable values. You must also be aware of the thermal fluctuations when starting up and shutdown of the reactor. They must be resistant to radiation. They also have to be corrosion-resistant to the coolant selected in the reactor. You must have conscience can withstand mechanical stresses - which can occur for any reason. They must retain their shape and the heat developed in the fuel assemblies must retard outside to the surface of the fuel assembly to be passed from there to the in the reactor Coolant to be transferred. Obviously it is not easy to meet all of these demands and the efficiency and performance of the reactor depend to a large extent on how to solve the mentioned problems.
Als Brennstoff wird ein Spaltstoff, wie Uran und/ oder Plutonium verwendet, und zwar entweder im metallischen Zustand oder als Verbindung, wie z. B. Oxyde und Karbide. Der Spaltstoff kann mit geeigneten Metallen legiert sein, oder er kann auch in irgendeiner Weise an einem nicht spaltbaren Stoff befestigt werden, um unter anderem eine mechanische Stabilität sicherzustellen. Bei Verwendung von Uranmetall als Spaltstoff treten gewisse schwer zu lösende Probleme auf, weil sein Volumen einerseits infolge der Kernspaltung und andererseits infolge wn Phasenumwandlungen größer wird, die bei bestimmten Temperaturen auftreten. Dieser Zuwachs erreicht bei einer ganz bestimmten Temperatur seinen Höchstwert. Infolgedessen ändert sich die Form des Metalls, und die Metalloberfläche wird uneben, was seinerseits schädlich auf die Wärmeübertragung zwischen dem Brennstoffelement und dem Kühlmittel einwirkt. Das Uranmetall wird schon nach kurzer Betriebsdauer spröde, so daß Risse entstehen können, besonders Kernreaktor-BrennelementA fissile material such as uranium and / or plutonium is used as fuel, either in the metallic state or as a compound, such as. B. Oxides and Carbides. The fissile material can with suitable Metals be alloyed, or it can also be attached in some way to a non-fissile material to ensure mechanical stability, among other things. When using uranium metal Certain problems that are difficult to solve arise as fissile material because, on the one hand, its volume as a result nuclear fission and, on the other hand, as a result of wn phase changes which occur at certain temperatures. This increase reached at a certain temperature its maximum value. As a result, the shape of the metal changes, and the metal surface becomes uneven, which in turn is detrimental to the heat transfer between the Acts fuel element and the coolant. The uranium metal is already after a short period of operation brittle, so that cracks can occur, especially nuclear reactor fuel assemblies
Anmelder:Applicant:
Fulcrum Aktiebolag, StockholmFulcrum Aktiebolag, Stockholm
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. E. Hoffmann und Dipl.-Ing. W. Eitle,Dr.-Ing. E. Hoffmann and Dipl.-Ing. W. Eitle,
Patentanwälte,Patent attorneys,
München 8, Maria-Theresia-Str. 6Munich 8, Maria-Theresia-Str. 6th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Gösta Erik Hildebrand Hildebrand,Gösta Erik Hildebrand Hildebrand,
Skälby (Schweden)Skälby (Sweden)
wenn die mechanischen Beanspruchungen groß sind, was bei starken Temperaturänderungen der Fall sein kann. Dies hat auch zur Folge, daß sich die Form des Uranmetallkörpers ändert, besonders wenn er eine Textur aufweist,when the mechanical stresses are high, which is the case with strong temperature changes can. This also has the consequence that the shape of the uranium metal body changes, especially if it is a Has texture,
Im Kernreaktor-Brennelement wird in jedem seiner Teile eine Wärmemenge entwickelt, die proportional zur Anzahl der Kernspaltungen in dem betreffenden Teil ist. In einem homogenen oder einigermaßen homogenen Brennelementkörper tritt die höchste Temperatur in der Mitte des Körpers auf, von wo aus sie mehr oder weniger stark nach außen in Richtung zur Oberfläche des Körpers abnimmt, und zwar je nach der Wärmeleitfähigkeit des Materials, der geometrischen Form, der Art des Kühlmittels usw. Der Spaltprozeß kann ebenso wie Temperaturschwankungen eine allmähliche Zerstörung des Materials z.B. durch Rißbildung, Pulverisierung zur Folge haben. Dazu kommt die das Material zerstörende Wirkung der beim Spaltprozeß gebildeten Spaltprodukte, wodurch das Material beispielsweise anschwellen kann, im Verein mit Änderungen infolge der durch den Sp<prozeß verursachten Strahlung. Die Zerstörungsgeschwindigkeit ist im wesentlichen abhängig von deiIn the nuclear reactor fuel element, an amount of heat is developed in each of its parts that is proportional the number of fission in the part concerned. In a homogeneous or somewhat homogeneous fuel assembly, the highest temperature occurs in the center of the body, from where it decreases more or less strongly outwards towards the surface of the body, depending on according to the thermal conductivity of the material, the geometric shape, the type of coolant, etc. The The splitting process, like temperature fluctuations, can result in gradual destruction of the material, e.g. through cracking, pulverization. In addition, there is the damaging effect on the material the fission products formed during the fission process, which can cause the material to swell, for example, combined with changes due to the radiation caused by the flushing process. The speed of destruction is essentially dependent on dei
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Zusammensetzung und den physikalischen Eigen- wendbar ist, ohne daß besondere Maßnahmen geschaften
des Materials, der Herstellungsart des troffen werden, um das Brennelement bei einer für
Elements, seiner geometrischen Form sowie von der die physikalischen Eigenschaften des Materials gün-Temperaturhöhe
und der Strahlungsintensität, mit der stigen Temperatur arbeiten zu lassen,
das Element arbeitet. Insofern Risse oder Form- 5 Die Erfindung geht darauf aus, die Teile des
änderungen auftreten, ist die Gefahr einer verrin- Brennelements in geeigneter Weise so anzuordnen,
gerten Wärmeübertragung zwischen dem Brennele- daß die Arbeitstemperatur den Eigenschaften des
ment und dem Kühlmittel groß, wodurch sich die Materials angepaßt ist. Dabei muß natürlich auch beTemperatur
im Inneren des Brennelements noch rücksichtigt werden, daß die Kritikalität im Reaktor
weiter erhöht. io erreicht wird, was die Möglichkeit der freien WahlComposition and the physical intrinsic can be used without special measures being taken of the material, the method of manufacture of the fuel element at a suitable for the element, its geometric shape and the physical properties of the material, temperature level and radiation intensity to let the constant temperature work,
the element works. Insofar as cracks or molds occur, the risk of a reduced fuel element is to be arranged in a suitable manner in such a way that the working temperature of the properties of the element and the coolant is great, so that the heat transfer between the fuel element is large the material is adapted. Of course, the temperature inside the fuel assembly must also take into account that the criticality in the reactor is further increased. io is achieved what the possibility of free choice
Um das Brennelement gegen einen etwaigen An- des Spaltstoffs und das Verhältnis zwischen diesem griff vom Kühlmittel oder Moderator zu schützen und dem nicht spaltbaren Stoff im Reaktor begrenzt, oder um zu verhindern, daß die Spaltprodukte nach so daß man beispielsweise größere Abmessungen des außen zum Kühlmittel oder Moderator dringen, ist es Brennelements wählen muß. Dies kann aus den üblich, den Brennstoff mit einer Bekleidung zu ver- 15 oben angegebenen Gründen unmöglich sein, und man sehen, deren Material mit Rücksicht auf ihre mecha- muß dann andere Wege zur Lösung des Problems benischen und neutronenökonomischen Eigenschaften schreiten.About the fuel assembly against any amount of fissile material and the relationship between it handle to protect from the coolant or moderator and limit the non-fissile material in the reactor, or to prevent the cleavage products after so that, for example, larger dimensions of the penetrate outside to the coolant or moderator, it is necessary to choose fuel assembly. This can be done from the It would be customary to wear the fuel with clothing see whose material with regard to their mecha- must then niche other ways of solving the problem and neutron economic properties.
sowie ihre Korrosionsbeständigkeit gegen das Kühl- Ein Verfahren zum Vergleich verschiedener Brennmittel und den Moderator gewählt wird. Das Beklei- elemente besteht in der Berechnung der maximal erdungsmaterial muß dem vorkommenden Neutronen- 20 reichbaren Leistungsdichte in Watt je Zentimeter fluß und der radioaktiven Strahlung widerstehen Stablänge. Dabei geht man beispielsweise davon aus, können. Metalle, wie z. B. Magnesium, Aluminium, daß die maximal zulässige Temperatur des im Brenn-Zirkonium, Beryllium, rostfreier Stahl, können zu element enthaltenen Materials in einem bestimmten diesem Zweck in Frage kommen. Verhältnis zum Schmelzpunkt des Materials steht.as well as their corrosion resistance to the cooling A method for comparing different fuels and the moderator is elected. The cladding element consists in calculating the maximum earthing material must correspond to the neutrons that occur. 20 achievable power density in watts per centimeter River and radioactive radiation resist rod length. One assumes, for example, can. Metals such as B. magnesium, aluminum, that the maximum permissible temperature of the fused zirconium, Beryllium, stainless steel, can become contained in a particular material come into question for this purpose. Relation to the melting point of the material.
Zur Beherrschung der obenerwähnten Probleme ist 25 Falls Wasser zur Kühlung des Brennelements ver-To cope with the problems mentioned above, 25 If water is used to cool the fuel assembly
es wichtig, die Temperatur im Uranmetall so niedrig wendet wird, ergibt sich bei der auf diesem GebietIt is important to keep the temperature in the uranium metal as low as it turns out in this area
wie möglich zu halten. Die Korrosionsbeständigkeit üblichen Berechnungsmethode für ein gänzlich ausas possible to keep. The corrosion resistance usual calculation method for a completely off
des Uranmetalls gegen schweres oder leichtes Wasser Urandioxyd bestehendes Brennelement eine Lei-the uranium metal against heavy or light water uranium dioxide existing fuel element a line
ist ziemlich schlecht; schon bei mäßiger Temperatur- stungsdichte von etwa 400 W/cm und für ein gänzlichis pretty bad; even at a moderate temperature density of around 400 W / cm and for a completely
erhöhung wird die chemische Reaktion so stark, daß 30 aus Uranmetall bestehendes Brennelement eine Lei-the chemical reaction becomes so strong that 30 fuel elements made of uranium metal lead to a
die sich daraus ergebenden Folgen den Reaktor stungsdichte von etwa 1200 W/cm. Aufgabe der Er-the resultant consequences of the reactor power density of about 1200 W / cm. Task of the
außer Betrieb setzen können. Wird Uranmetall als findung ist die Schaffung eines Brennelements, dasput out of service. Using uranium metal as a discovery is the creation of a fuel assembly that
Brennstoff in einem Reaktor verwendet und beson- eine höhere Leistungsdichte hat als bisher bekannteFuel is used in a reactor and has a particularly higher power density than previously known
ders bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel, so Brennstoffelemente.This is not the case when using water as a coolant, according to fuel elements.
besteht die unerläßliche Forderung, die Temperatur 35 Ein Brennelement, das aus einem Kern eines Spaltso niedrig wie möglich zu halten und das Brennele- stoffes und einem diesen umgebenden Mantel eines ment so auszubilden, daß den erwähnten ungünstigen anderen Spaltstoffes besteht, ist jedoch mit vielen Eigenschaften des Uranmetalls so weit wie möglich Mangeln behaftet, wie Schwierigkeiten, Wärme wegentgegengewirkt wird. Dennoch kann das Uranmetall zuschaffen und zu verteilen sowie eine etwaige'Reunter gewissen Umständen gefährlich sein, und zwar 40 aktion zwischen dem Kernmaterial und dem Mantelauf Grund seiner physikalischen Eigenschaften, bei- material bei erhöhter Temperatur zu verhindern, spielsweise seiner weniger guten Korrosionsbestän- Diese Mangel sollen durch die Erfindung beseitigt digkeit gegen Wasser, die von der Temperatur und werden. Erfindungsgemäß ist der Mantel von der etwaigen Legierungselementen des Uranmetalls ab- Außenwand des zentralen Spaltstoffkernes durch eine hängig ist, so daß die Wahl eines anderen Materials 45 Zwischenschicht aus nicht spaltbarer Substanz gefür das Brennelement empfehlenswert ist. trennt, die eine niedrige Neutronenabsorption auf-there is the indispensable requirement, the temperature 35 A fuel element, which consists of a core of a gapso as low as possible and the fuel and a jacket surrounding it To train ment in such a way that the aforementioned unfavorable other fissile material exists, is, however, with many Properties of the uranium metal are as deficient as possible, such as difficulties in getting heat counteracted will. Nevertheless, the uranium metal can create and distribute as well as any'Reunter be dangerous in certain circumstances, namely 40 action between the core material and the cladding Because of its physical properties, to prevent incidental material at elevated temperature, For example, its less good corrosion resistance. This deficiency is intended to be eliminated by the invention resistance to water, which depends on the temperature and will. According to the invention, the coat is from the any alloy elements of the uranium metal from the outer wall of the central fissile material core through a is pending, so that the choice of another material 45 intermediate layer of non-fissile substance for the fuel assembly is recommended. separates, which have a low neutron absorption
Von bisher vorkommenden Uranverbindungen mit weist, gegenüber dem Spaltstoffkern und Mantel che-Of previously occurring uranium compounds with, compared to the fission material core and cladding,
bekannten physikalischen Eigenschaften dürfte sich misch indifferent ist und die Abfuhr und Verteilungknown physical properties are likely to be mixed and indifferent to the discharge and distribution
Urandioxyd sehr gut als Brennstoff für einen Kern- der Wärme fördert.Uranium dioxide is a very good fuel for a core that promotes heat.
reaktor eignen. Diese Verbindung ist nicht metallisch, 50 Diese Zwischenschicht kann aus einem Gas, einem
sondern ihrer Natur nach als keramischer Stoff zu be- bei der Betriebstemperatur des Brennelementes flüstrachten.
Meist kennzeichnend für Uranoxyd dürften sigen Stoff oder aus einem bei der Betriebstemperatur
seine Korrosionsbeständigkeit gegen Wasser, die Ab- des Brennelementes festen Metall bestehen. Ohne
Wesenheit von Phasenumwandlungen und eine hohe solch eine Zwischenschicht kann ein Brennstoffelemögliche
Verwendungstemperatur sein. Urandioxyd 55 ment, das aus einem Kern und einem diesen umist
ein Hochtemperaturmaterial mit Rücksicht auf gebenden Mantel, beide aus verschiedenem Spaltstbff,
seinen hohen Schmelzpunkt und auch vom Gesichts- besteht, überhaupt nicht funktionieren,
punkt der Festigkeit und des Thermoschocks aus. Durch diese Unterteilung des Brennelementes in
Seine Wärmeleitfähigkeit verschlechtert sich aber bei verschiedene Teile und insbesondere durch die Komsteigender
Temperatur, so daß bei einem gewünschten 60 bination verschiedener Stoffe mit verschiedenen
Wärmetransport vom Inneren des Brennelements zu charakteristischen Eigenschaften bezüglich Wärmeseiner
Oberfläche eine unzulässig hohe Temperatur beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmefestigin
seinen inneren Teilen auftreten kann, wenn der keit, Widerstandsfähigkeit gegen Zerstrahlung und
Durchmesser zu groß ist.- Dadurch kann eine starke Temperaturschwankungen ist eine Anpassung an die
Rißbildung an der Oberfläche erfolgen und sogar eine 65 im Brennelement eines Reaktors vorkommenden
Pulverisierung-des.-Materials verursachen. Es er- . Strahlungs- und Temperaturverhältnisse . möglich,
scheint daher zweifelhaft, ob nichtlegiertes oder nicht- Daraus folgt eine größere mechanische Lebensdauer
angereichertes Uranoxyd als Brennstoffelement ver- des Brennelements und eine bessere Ausnutzung desreactor suitable. This connection is not metallic, 50 This intermediate layer can consist of a gas, but its nature as a ceramic material to whisper at the operating temperature of the fuel assembly. Mostly characteristic of uranium oxide are likely to consist of a substance or a metal that is solid at the operating temperature, its corrosion resistance to water, of the fuel element. Without the nature of phase changes and such a high such interlayer, a fuel element may be a possible use temperature. Uranium dioxide 55 ment, which consists of a core and a high-temperature material with regard to the coat giving it, both made of different split steel, its high melting point and also of the face, does not work at all,
point of strength and thermal shock. Due to this subdivision of the fuel assembly into its thermal conductivity, however, it deteriorates with different parts and in particular with the grain rising temperature, so that with a desired combination of different substances with different heat transport from the interior of the fuel assembly to characteristic properties with regard to heat, its surface has an impermissibly high temperature resistance, corrosion resistance , Heat resistance can occur in its inner parts if the speed, resistance to atomization and diameter is too great.- This can result in strong temperature fluctuations, an adaptation to the crack formation on the surface and even a pulverization occurring in the fuel element of a reactor. -Material cause. It he- . Radiation and temperature conditions. possible, therefore it seems doubtful whether unalloyed or not. This means that enriched uranium oxide has a longer mechanical life as a fuel element and better utilization of the fuel element
5 65 6
Materials hinsichtlich der Spaltung, beispielsweise der In der Zeichnung sind in den F i g. 1 bis 4 ver-Abbrandzeit.
Gleichzeitig ermöglicht eine geeignete schiedene Querschnittsformen eines Brennelements
Anpassung der Spaltstoffe eine derartige, in den ver- nach der Erfindung dargestellt,
schiedenen Brennelementteilen entwickelte Wärme- F i g. 1 zeigt ein zylindrisches und
menge, die im wesentlichen proportional zur Anzahl 5 F i g. 2 ein plattovales stabf örmiges Brennelement;
der Kernspaltungen ist, daß sich eine größere me- F i g. 3 zeigt ein beispielsweise rechteckiges oder
chanische Lebensdauer ergibt. Ferner läßt sich die kreisförmiges Scheibenelement 3 mit zwei Mantel-Wärmeentwicklung
durch Änderung der Dichte der platten 1, undMaterial with regard to the cleavage, for example the In the drawing are in the F i g. 1 to 4 burn-off time. At the same time, a suitable different cross-sectional shape of a fuel assembly enables the fissile materials to be adapted in such a way that
different fuel assemblies developed heat- F i g. 1 shows a cylindrical and
amount which is essentially proportional to the number 5 F i g. 2 a flat-oval rod-shaped fuel assembly; of nuclear fission is that there is a greater degree of f i g. 3 shows an example of a rectangular or mechanical life expectancy. Furthermore, the circular disc element 3 with two jacket heat generation by changing the density of the plates 1, and
verschiedenen Brennelementteile beeinflussen, wo- F i g. 4 zeigt ein Brennelement mit vergrößerteraffect different fuel assembly parts, where- F i g. 4 shows a fuel assembly with an enlarged
durch auch der Temperaturgradient in diesen Teilen io Ausstrahlungsfläche;by also the temperature gradient in these parts io radiation surface;
geändert wird. F i g. 5 zeigt im Längsschnitt ein Brennelement,will be changed. F i g. 5 shows a fuel assembly in longitudinal section,
Bei Berechnung der maximal erreichbaren Lei- dessen Kern aus aufgestapelten Blöcken besteht, undWhen calculating the maximum achievable performance, the core consists of stacked blocks, and
stungsdichte in Watt je Zentimeter Stablänge nach F i g. 6 zeigt ein Brennelement mit ungeteiltempower density in watts per centimeter of rod length according to FIG. 6 shows an undivided fuel assembly
den gleichen Grundsätzen wie für ein aus einem ein- Kern.the same principles as for one from one core.
zigen Material bestehendes Brennelement ergibt sich 15 Die Brennelemente können mit einer üblichen,
für ein Brennelement nach der Erfindung, das aus nicht dargestellten Bekleidung ausgerüstet sein, die
einem Mantel aus Uranmetall und einem Kern aus beispielsweise mit Kühlrippen versehen sein kann.
Urandioxyd besteht, ein Wert von etwa 2300 W je Der Mantel 1 besteht aus einem Spaltstoff oder entZentimeter
Stablänge. Diese außerordentlich günstige hält einen Spaltstoff, wie z. B. metallisches Uran,
technische Wirkung beruht darauf, daß die Tempe- 20 Plutonium, und ist zum Arbeiten bei einer verhältratuT
des Kerns bedeutend höher sein kann als in nismäßig niedrigen Temperatur bestimmt. Der metaleinem
gänzlich aus Uranmetall bestehenden Element. lische Spaltstoff kann auch mit einem geeigneten Me-Außerdem
ist die Wärmeübertragung von der Mitte tall legiert oder an ein geeignetes, nicht spaltbares
des Stabs zu seiner Oberfläche bedeutend besser als Material gebunden sein. Denkbare Legierungselein
einem ganz aus Urandioxyd bestehenden Brenn- 25 mente hierzu sind Aluminium, Silizium, Magnesium,
element. Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom,Zigen material existing fuel assembly results in 15 The fuel assemblies can be equipped with a conventional, for a fuel assembly according to the invention, which can be made of clothing, not shown, which can be provided with a jacket made of uranium metal and a core made of, for example, cooling fins.
Urandioxyd consists, a value of about 2300 W each. The jacket 1 consists of a fissile material or a centimeter rod length. This extremely cheap holds a fissile material such. B. metallic uranium, technical effect is based on the fact that the temperature is 20 plutonium, and is intended to work with a relative ratio of the core can be significantly higher than in nismäßig low temperature. The metal, an element made entirely of uranium metal. In addition, the heat transfer from the middle is alloyed or bound to a suitable, non-fissile of the rod to its surface, significantly better than material. Conceivable alloy lines in a fuel consisting entirely of uranium dioxide. 25 elements for this purpose are aluminum, silicon, magnesium, element. Titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium,
Vom reaktorphysikalischen Gesichtspunkt aus ist Molybdän und Wolfram. Der Kern 3 besteht ganz
ein Brennelement gemäß der Erfindung, bestehend aus oder zum Teil aus z. B. einem Oxyd, Karbid, Silizid,
einem Kern aus Urandioxyd und einem Mantel aus Nitrid, Borid, Sulfid eines geeigneten Spaltstoffs und
Uranmetall, einem gänzlich aus Urandioxyd beste- 30 kann gegebenenfalls mit einem zweckmäßigen Metall
henden Element deshalb überlegen, weil die Uran- gemischt sein, um die Wärmeleitfähigkeit und die
dichte größer und die Resonanzabsorption der Neu- mechanische Stabilität zu verbessern. Derartige Stoffe
tronen geringer ist. Unter im übrigen unveränderten werden gewöhnlich Keramik-Metallgemische geVerhältnissen
läßt sich schätzungsweise eine Vo- nannt. Der Spaltstoff des Kerns kann auch mit
lumenverkleinerung des Reaktors um etwa 3O°/o er- 35 anderen Substanzen als Metallen vermengt sein. Beizielen,
und zwar vom Gesichtspunkt der Kritikalität spielsweise derartiger Vereinigungen sind Cr-Al2O3,
wie auch der Abbrandzeit aus, und dennoch läßt sich SiC-Si, ZrC-Fe und MgO-Ni. Der Zwischenraum 2
dem Reaktor eine größere Leistung entnehmen, wo- zwischen dem Mantel 1 und dem Kern 3 soll eine gebei
jedoch die Ausbildung des Reaktorkerns so zu eignete, im Verhältnis zum Material des Mantels und
wählen ist, daß die je Längeneinheit erzeugte Leistung 4° des Kerns indifferente Substanz enthalten; diese Subausnutzbar
ist. Aus den gleichen Gründen ist ein er- stanz kann beispielsweise ein Gas, vorzugsweise
findungsgemäß ausgebildetes Brennelement mit einem Helium, Argon oder Wasserstoff, das zweckmäßige
Kern aus Urandioxyd und einem Mantel aus Uran- wärmetechnische und neutronenökonomische Eigenmetall
weniger von der Urandichte des Urandioxyds schäften hat oder ein flüssiges Mittel sein, vor allem
abhängig als ein ganz aus Urandioxyd bestehendes 45 geschmolzene Metalle oder Metallegierungen, vorBrennelement.
Dies bedeutet, daß eine geringere als zugsweise eine eutektische Blei-Wismut-Legierung
bisher mögliche Dichte des Urandioxyds annehmbai oder eine Natrium-Kalium-Legierung,
ist, ohne daß eine nennenswerte Leistungsverminde- Falls erwünscht, kann der Kern mit einem anrung
vom reaktorphysikalischen Gesichtspunkt aus in gereicherten Spaltstoff, wie nichtlegiertem oder
Kauf zu nehmen ist. 50 legiertem 235U, oder mit anderen Stoffen vermischtFrom the point of view of reactor physics, molybdenum is and tungsten. The core 3 consists entirely of a fuel assembly according to the invention, consisting of or partly of, for. B. an oxide, carbide, silicide, a core made of uranium dioxide and a shell made of nitride, boride, sulfide of a suitable fissile material and uranium metal, a completely composed of uranium dioxide. mixed in order to increase the thermal conductivity and density and improve the resonance absorption of the neuromechanical stability. Such substances tronen is lower. Under the otherwise unchanged ceramic-metal mixture ratios, an estimated one can be mentioned. The fissile material of the core can also be mixed with a reduction in the lumen of the reactor by about 30% other substances than metals. From the point of view of the criticality of such associations, for example, Cr-Al 2 O 3 , as well as the burn-off time, can be achieved, and yet SiC-Si, ZrC-Fe and MgO-Ni can be used. The intermediate space 2 draw a greater power from the reactor, between the jacket 1 and the core 3, however, the design of the reactor core should be suitable in relation to the material of the jacket and that the power generated per unit length is 4 ° the nucleus contain indifferent substance; this is sub-exploitable. For the same reasons, a substance can, for example, be a gas, preferably a fuel element designed according to the invention with a helium, argon or hydrogen, the useful core made of uranium dioxide and a jacket made of uranium thermal and neutron-economical intrinsic metal, or has less of the uranium density of the uranium dioxide be a liquid medium, especially dependent as a molten metals or metal alloys consisting entirely of uranium dioxide, in front of a fuel element. This means that a lower than preferably a eutectic lead-bismuth alloy previously possible density of uranium dioxide accepts or a sodium-potassium alloy,
If desired, the core can be purchased with an enriched fissile material, such as non-alloyed material, from a physical reactor point of view. 50 alloyed 235 U, or mixed with other substances
Betrachtet man die Teile des Brennelements als sein; es kann auch der mittlere Teil 4 des Kerns ausConsidering the parts of the fuel assembly as being; it can also consist of the middle part 4 of the core
Materialschichten, so gilt ferner grundsätzlich, daß einem angereicherten Spaltstoff bestehen (s. Fig. 1).Layers of material, it also applies in principle that there is an enriched fissile material (see Fig. 1).
der Transport der in den verschiedenen Material- Der Kern 3 und der Mantel 1 bestehen also austhe transport of the in the different material The core 3 and the jacket 1 thus consist of
schichten erzeugten Wärme entweder durch unmittel- verschiedenen Stoffen in dem Sinn, daß der Kern einelayers generated heat either by directly different substances in the sense that the core is a
bare Berührung zwischen den Schichten oder über 55 derartige andere chemische und/oder physikalischephysical contact between the layers or over 55 such other chemical and / or physical
einen mit einem geeigneten Kontaktmaterial gefüllten Zusammensetzung hat als der Mantel, daß die früheihas a composition filled with a suitable contact material as the jacket that the early egg
Zwischenraum, wobei eine gewisse Bewegung zwi- erwähnten Forderungen erfüllt werden, insbesondereIntermediate space, with a certain movement between the mentioned requirements being met, in particular
sehen Mantel und Kern möglich sein soll, oder auch hinsichtlich einer verhältnismäßig hohen Temperatursee shell and core should be possible, or with regard to a relatively high temperature
durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Strah- im Kern und einer niedrigeren Temperatur derby conduction, convection and / or radiation in the core and a lower temperature of the
lung durch einen zwischen den Schichten vorgese- 60 Manteloberfläche,through a jacket surface provided between the layers,
henen Zwischenraum erfolgen kann. Um zwischen dem Kern und dem Mantel eineshenen gap can take place. To get between the core and the mantle of a
Die geometrische Form eines Brennelements nach · Brennelements nach der Erfindung einen der-The geometric shape of a fuel element according to the fuel element according to the invention is one of the
der Erfindung wird vor allem durch verschiedene artigen Wärmeübergang sicherzustellen, daß es nachthe invention will ensure that it is mainly through various types of heat transfer that it is after
konstruktive und betriebstechnische Faktoren be- den angegebenen Grundsätzen arbeiten kann, mußconstructive and operational factors can work according to the principles given
stimmt. Je nach der Zweckmäßigkeit in den jeweiligen 65 die erwähnte feste, flüssige oder gasförmige Zwischen-it's correct. Depending on the expediency in the respective 65 the mentioned solid, liquid or gaseous intermediate
Fällen kann der Elementkörper stabförmig mit zylin- schicht zweckdienlich ausgebildet sein. Vom Ge-In some cases, the element body can expediently be designed in the shape of a rod with a cylindrical layer. From the
drischem oder elliptischem Querschnitt, kugelförmig sichtspunkt der Wärmeleitung aus ist ein flüssigesdrical or elliptical cross-section, spherical from the point of view of conduction is a liquid
oder scheibenförmig sein. Metall oder eine Verbindung von Metallen die besteor be disc-shaped. Metal or a combination of metals the best
Lösung, wobei die Temperatur, bei der das Metall oder die Metallverbindung schmilzt, so niedrig wie möglich sein soll. Die Zwischenschicht muß sich ferner gegenüber dem Material des Kerns bzw. Mantels chemisch indifferent oder nahezu indifferent verhalten. Außerdem muß die Zwischenschicht mit üblichen reaktorphysikalischen Forderungen vereinbar sein, und zwar in erster Linie bezüglich ihrer neutronenökonomischen Eigenschaften.Solution, the temperature at which the metal or metal compound melts as low as should be possible. The intermediate layer must also face the material of the core or Mantle's chemically indifferent or almost indifferent behavior. In addition, the intermediate layer must with normal reactor physical requirements must be compatible, primarily with regard to their neutron economic requirements Properties.
Die Herstellung einer gasförmigen Zwischenschicht ist in der Praxis sehr einfach unter der Voraussetzung, daß der Kern aus vorgepreßten oder vorgesinterten Blöcken oder Stäben besteht. Dagegen ist die Herstellung einer Zwischenschicht aus einem festen Stoff, der die wärmetechnischen Ansprüche erfüllt, sehr schwierig, weil die Wärmeübertragungsverhältnisse innig mit dem Grad der Berührung zwischen den Stoffen verknüpft sind, also mit der Berührungsfläche und der Größe des Berührungsdrucks. Schließlich fordert eine Zwischenschicht aus einem flüssigen Metall, daß der Kern und der Mantel auf die gleiche oder nahezu gleiche Temperatur zu bringen sind, wobei unter anderem die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und des Mantels besonders im Falle eines verhältnismäßig hohen Schmelzpunkts des Metalls oder der Metallverbindung Probleme aufwerfen, die mit einer guten Wirkungsfähigkeit des Brennelements nicht vereinbar sind. Außerdem kann eine nachteilige Oxydation des Kerns und des Mantels erfolgen. Es ist daher am besten, eine Zwischenschicht in fester Form anzubringen. The production of a gaseous intermediate layer is very simple in practice, provided that that the core consists of pre-pressed or pre-sintered blocks or rods. Against it is the production of an intermediate layer from a solid material that meets the thermal requirements, very difficult because the heat transfer conditions are intimately related to the degree of contact between are linked to the substances, i.e. with the contact area and the size of the contact pressure. Finally, an intermediate layer of a liquid metal calls for the core and cladding the same or almost the same temperature are to be brought, with, among other things, the different Coefficient of thermal expansion of the core and the shell especially in the case of a relative high melting point of the metal or metal compound pose problems with a good Efficiency of the fuel assembly are not compatible. In addition, a detrimental oxidation of the Core and sheath. It is therefore best to apply an intermediate layer in a solid form.
Will man indessen ein Brennelement schaffen, das herstellungstechnisch und aus metallurgischen Gesichtspunkten beträchtlich einfacher ist als das oben angegebene Element mit vorgepreßten und gesinterten Blöcken aus einem geeigneten Kernstoff, so ist es grundsätzlich denkbar, den Mantel mit beispielsweise Urandioxydpulver zu füllen, das sich dann selbst sintert, wenn das Brennstoffelement zu arbeiten beginnt, wenn also seine Temperatur die Betriebstemperatur erreicht. Die Art der Anbringung der obenerwähnten Zwischenschicht aus einem geeigneten Metall oder einer Metallverbindung ist dann entscheidend für die Wirkungsfähigkeit des Brennelements. Ein wichtiger Faktor ist dabei die Dichte des Urandioxyds. Dies bedeutet, daß ein bestimmter Druck bei der Anbringung des Urandioxydpulvers im Mantel erwünscht ist, und zwar nicht nur, um eine möglichst große Urandioxydmenge einzubringen, sondern auch, um einen möglichst geringen Porositätsgrad des nachher gesinterten Kerns zu ermöglichen. Es ist selbstverständlich schwierig oder geradezu unmöglich, Urandioxydpulver in einen Mantel hineinzupressen, wenn gleichzeitig die Forderung besteht, nicht nur eine Zwischenschicht aus einem geeigneten Metall oder einer Metallegierung vorzusehen, sondern auch einen schädlichen Druck auf den Mantel zu vermeiden. However, the aim is to create a fuel assembly that is considerably simpler than the one above from a manufacturing and metallurgical point of view specified element with pre-pressed and sintered blocks from a suitable core material, so is it is basically conceivable to fill the jacket with, for example, uranium dioxide powder, which is then even sinters when the fuel element starts to work, that is, when its temperature exceeds the operating temperature achieved. The manner of applying the above-mentioned intermediate layer from a suitable one Metal or a metal compound is then decisive for the effectiveness of the fuel assembly. An important factor is the density of the uranium dioxide. This means that a certain Pressure in the application of the uranium dioxide powder in the jacket is desirable, and not just to one to bring in the largest possible amount of uranium dioxide, but also to allow the lowest possible degree of porosity of the subsequently sintered core. It is of course difficult or even impossible to press uranium dioxide powder into a coat, if at the same time there is a requirement, not just an intermediate layer of a suitable one Metal or a metal alloy, but also to avoid damaging pressure on the jacket.
Die Erfindung löst in praktischer und wirtschaftlicher Weise die Frage der Anbringung der Zwischenschicht zwischen Kern und Mantel unabhängig davon, ob vorgesinterte Blöcke aus beispielsweise Urandioxyd zur Verwendung kommen oder der Kern in Form eines eingepreßten, nicht gesinterten Pulvers angebracht wird.The invention solves in practical and economical Way the question of attaching the intermediate layer between core and cladding regardless of whether pre-sintered blocks of, for example, uranium dioxide are used or the core in Form of a pressed, not sintered powder is attached.
Ein gegossenes oder maschinell hergestelltes Rohr aus einem der erwähnten Zwischenschichtmetallen wird auf der Außenseite auf möglichst gute Toleranz im Verhältnis zum Innendurchmesser des Mantels geschliffen. Falls gepreßte und gesinterte Klötze zur Verwendung kommen, ist eine genaue Passung auch auf der Innenseite des Rohrs entsprechend dem Durchmesser der Blöcke zweckdienlich. Wird Urandioxydpulver als Kern eingepreßt, so muß beim Einpressen des Pulvers ein so großer Druck ausgeübt werden können, daß sich eine möglichst große DichteA cast or machined pipe made from one of the interlayer metals mentioned is ground on the outside to the best possible tolerance in relation to the inside diameter of the jacket. If pressed and sintered blocks are used, an exact fit is also possible on the inside of the pipe according to the diameter of the blocks. Becomes uranium dioxide powder Pressed in as the core, so great pressure must be exerted when the powder is pressed in can be that as great a density as possible
ίο ergibt. Dabei geht man zweckmäßig so vor, daß ein aus der Metallverbindung bestehendes Rohr, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser des Mantels so genau wie möglich angepaßt ist, in eine Matrize oder ein Werkzeug gelegt wird, das sich in einer Presse mitίο results. One proceeds appropriately so that a consisting of the metal connection pipe, the outer diameter of which corresponds to the diameter of the jacket is adapted exactly as possible, is placed in a die or a tool that is in a press with
is erforderlichem Preßdruck verwenden läßt. Eine derartige Vorrichtung ist in der Praxis sehr einfach herzustellen und daher billig. Das Rohr mit seinem Pulver wird dann in den Mantel eingesetzt, worauf der Verschluß mit HiKe eines geeigneten End-is can use the required pressure. Such a one The device is very easy to manufacture in practice and is therefore cheap. The pipe with his Powder is then inserted into the jacket, whereupon the closure with HiKe of a suitable end
pfropfens aus einem neutronenökonomisch vorteilhaften Material erfolgt. Der Endpfropfen kann auch mit Vorteil während des Preßvorgangs eingesetzt werden. Dieses Verfahren ermöglicht es, beim Hineinpressen des Pulvers einen wahlfreien Preßdruck auszuüben, der seinerseits eine möglichst hohe Dichte des Urandioxydpulvers ermöglicht, was sowohl aus reaktorphysikalischen und metallurgischen Gründen als auch vom Gesichtspunkt der mechanischen Stabilität vorteilhaft ist. Dazu kommt noch, daß bei erhöhter Dichte des Urandioxydpulvers eine geringere SpaltgasentwiiCklung zu erwarten ist. Die Dicke der Zwischenschicht wird schließlich in der Hauptsache durch die Maßabweichung des betreffenden Materials bei der Erhöhung der Temperatur des Brennelements auf die Arbeitstemperatur bestimmt.plug from a neutron-economically advantageous Material takes place. The end plug can also be used to advantage during the pressing process will. This method makes it possible to have an optional pressing pressure when pressing in the powder exercise, which in turn enables the highest possible density of the uranium dioxide powder, which is both from reactor-physical and metallurgical reasons as well as from the point of view of mechanical stability is advantageous. In addition, the higher the density of the uranium dioxide powder, the lower the density Fission gas development is to be expected. The thickness of the intermediate layer is ultimately the main thing due to the dimensional deviation of the material in question when the temperature of the fuel assembly increases determined on the working temperature.
Claims (4)
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| DE (1) | DE1220942B (en) |
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