DE1564232A1

DE1564232A1 - Fuel and / or breeding element for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1564232A1
Application number: DE19661564232
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Hans Georg; Fassbender Dr Josef
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1964-10-22
Filing date: 1966-06-25
Publication date: 1969-08-28

Description

Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren Zusatz zum Patent 1 241 b41 Die Erfindung bezieht sich auf ein Brenn- und/oder Brutele- ment für Kernreaktoren, bei. dem mit Kohlenstoff, Karbiden oder Oxyden beschichtete Brennur und/oder Brutstoffteilchen in loser Schüttung in dem Ringspalt einer nohlzylindert®rmig ausgebildeten vakuumdicht verschlossenen metallischen Hülse eingeschlossen sind nach Patent 1 241 a41, Dieses Brenn® und/oder Brutelement wird insofern -weiter aus- gebildet, als mehrere mit unterschiedlichem radialen Abstand zueinander angeordnete Brenn und/®der Brutstoffkanäle in der Weise vorgesehen sind, daß von den Brenn- und/oder Brutstoff® kanälen und gegebenenfalls diese verbindenden Stegen koaxial angeordnete Kühlkanäle gebildet werden. Eine sehr zweckmäßige Ausrührungsform des erfindungsgemäßen Elements besteht darin, daß die Brenn- und/oder Brutstoff- kanäle kreisringförmige-Querscnntte aufweisen und koaxial zueinander angeordnet sind. Eine andere gleichfalls vorteil- hatte Variante des erfindungsgemäßen Elementes besteht darin, daß die Brennstoffkanäle kreisförmige Querschnitte aufweisen und gruppenweise mit unterschiedlichem radialen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei zur Verbindung der auf dem gleichen Radius vorgesehenen Kanäle Querstege derart vorgesehen sind, daß Querstege und Kanäle jeweils die eine Wandung eines Kühlmittelkanals bilden. Zur Einhaltung genauer Abstände sind in an sich bekannter Weise Abstandhalter vorgesehen. Die Temperaturen der "coated particles " dürfen im allgemeinen bestimmte Werte nicht überschreiten. Obwohl bei den Brenn-und/oder Brutelementen gemäß der Erfindung hierdurch die je Einheit der Oberfläche des Elements zu übertragende Wärme begrenzt sein kann und nicht durch die Möglichkeiten, die Wärme von der Fläche abzuführen, kann es in besonderen Fällen zweckmäßig sein, an den Außenwandungen Querrippen, Nieten, punktverschweißte Einprägungen oder dergleichen vorzusehen. Dadurch wird in diesen Fällen der Wärmeübergang noch verbessert und die wärmeübertragende Fläche vergrößert, Durch diese Maßnahme wird ferner - soweit dies im Bedarfsfalle erforderlich ist - eine Versteifung des Einzelrohres erzielt.Fuel and / or breeding element for nuclear reactors Addendum to patent 1 241 b41 The invention relates to a burning and / or Brutele- ment for nuclear reactors, at. the one with carbon, carbides or oxide-coated fuel and / or particles of incubation material in bulk in the annular gap of a nohlzylindert®rmig trained vacuum-tight closed metallic sleeve included are according to patent 1 241 a41, This Brenn® and / or breeding element is -further expanded- formed as several with different radial spacing Combustion and / ®der breeding material channels arranged in relation to one another in the Way are provided that of the fuel and / or Brutstoff® channels and possibly these connecting webs coaxially arranged cooling channels are formed. A very useful embodiment of the invention Element consists in the fact that the fuel and / or breeding material Channels have circular cross sections and coaxially are arranged to each other. Another equally advantageous had variant of the element according to the invention is that the fuel channels have circular cross-sections and are arranged in groups at different radial distances from one another, with cross webs being provided to connect the channels provided on the same radius such that cross webs and channels each form one wall of a coolant channel. To maintain exact distances, spacers are provided in a manner known per se. The temperatures of the "coated particles" must generally not exceed certain values. Although the heat to be transferred per unit of the surface of the element can be limited with the fuel and / or breeding elements according to the invention and not by the possibilities of dissipating the heat from the surface, it can be useful in special cases to use on the outer walls Provide transverse ribs, rivets, spot-welded impressions or the like. As a result, in these cases the heat transfer is further improved and the heat transferring surface is enlarged. This measure furthermore - insofar as this is necessary in the case of need - stiffening of the individual pipe is achieved.

Die Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen von "coated particles" ist im allgemeinen, das heißt wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, niedrig. Sie beträgt beispielsweise ;3 x 10-13 cal/cm sec. °C, Daher hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, bei kreisringförmiger Ausbildung der Kaüle für den Brenn- oder Brutstoff die Breite der Ringkanäle mit etwa 1 bis G,5 mm zu bemessen. Ebenso beträgt bei dem erfindungsgemäßen Element in der Ausbildungsform mit kreisförmigem Querschnitt der Kanäle zur Aufnahme der Brenn- oder Brutstoffe der lichte Durchmesser etwa l bis 2,5 mm. Infolge dieses geringen Durchmessers bzw. der geringen Breite der in dem erfindungsgemäßen Brenn- oder Brutelement angeordneten Kanäle zur Aufnahme von Brennstoff oder Brutstoit wira das Auftreten unzulässig hoher Temperaturen vermieden-. Ein weiterer Vorteil ist die Stabilität, die sich aus der kreiszylindertörmigen Ausbilaung des erfindungsgemäßen Elements ergibt, Vorteilhaft ist ferner, daß bei dem erfindungsgemäßen Brenn- und/oder Brutelement - soweit dies im Bedarfsfalle gewünscht wird -ein gleichmäßiger hydraulischer Durchmesser der Kühlmittels kanäle gebildet werden kann.The thermal conductivity of beds of "coated particles" is generally, that is, if no special measures are taken, low. It is for example; 3 x 10-13 cal / cm sec. ° C, therefore it has proven to be very proven to be advantageous in the case of a circular design of the cannula for the focal or brood material to measure the width of the ring canals with about 1 to G, 5 mm. as well is in the element according to the invention in the embodiment with a circular Cross-section of the channels for receiving the fuel or breeding material, the clear diameter about 1 to 2.5 mm. As a result of this small diameter and the small width the in that fuel or breeding element according to the invention arranged Channels for the intake of fuel or breeding material are not permitted Avoid high temperatures. Another advantage is the stability, which is results from the circular cylindrical formation of the element according to the invention, It is also advantageous that in the fuel and / or breeding element according to the invention - as far as this is required in case of need - a uniform hydraulic diameter the coolant channels can be formed.

Ein großer Vorzug des erfindungsgemäßen Elements besteht ferner darin, daß es ohne weiteres möglich ist, in ein und demselben Element im einzelnen Kanälen Spalt- oder Brutstoff getrennt unterzubringen; Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil somit unter Berücksichtigung des Abbrandes der Spaltstoff zu einem anderen Zeitpunkt aus dem Element entnommen werden kann. als der Brutstoff. Das bedeutet eine wesentliehe Vereinfachung der Maßnahmen zur Wiederaufbereitung, die damit getrennt nach Brenn- oder Brutstoff durchführbar ist. Um dies auf möglichst einfache Weise durchzuführen, sind die Böden der zur Aufnahme vier Brennstoff- oder Brutstoffpartikei vorgesehenen Kanäle zweckmäßig aus einem anderen Werkstoff gebildet als die übrigen Wandungen, derart, daß der: Boden nei. Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur abschmilzt. Eine zweckmäßige Ausführungsform des Brenn- und/ oder Brutelements der Erfindung besteht darin, daß die Böden der Brennstoffkanäle und die Böden der Brutstoffkanäle aus bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzenden Werkstoffen bestehen-. Dadurch kann man, falls dies gewünscht wird, beispielsweise durch Aufheizen des Brennelements,den abgebrannten Spaltstoff herausrieseln lassen und in an sich bekannter Weise wiederaufbereiten, während die freigewordenen Kanäle des Elements wieder mit Spaltstoff ausgefüllt werden.Another great advantage of the element according to the invention is that it is easily possible to accommodate fissile or brood material separately in one and the same element in individual channels; This is particularly advantageous because the fissile material can be removed from the element at a different point in time, taking into account the burn-up. than the breeding material. This means a significant simplification of the measures for reprocessing, which can thus be carried out separately according to fuel or breeding material. In order to do this in the simplest possible way, the bottoms of the channels provided for receiving four fuel or debris particles are expediently made of a different material than the other walls, in such a way that the bottom is not. Exceeding a predetermined temperature melts. An expedient embodiment of the fuel and / or breeding element of the invention consists in that the bottoms of the fuel channels and the bottoms of the breeding material channels consist of materials that melt at different temperatures. In this way, if so desired, the spent fissile material can trickle out, for example by heating the fuel element, and reprocess it in a manner known per se, while the channels of the element that have become free are again filled with fissile material.

Statt für die Böden bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzende Werkstoffe zu verwenden, kann es auch zweckmäßig sein, büi dem Brenn- und/oder Brutelement gemäß der Erfindung die Böden der Brennstoff und Brutstoffkanäle mittels Lötnaht oder Schweißnaht mit den Kanalwandungen zu verbinden, wobei gegebenenfalls zum Ziehen der Lötnähte oder Schweißnähte der Brennstoffkanäle und der Brutstoffkanäle bei unterschiedli -chen Temperaturen schmelzendes Lötmaterial verwendet wird. Die Verwendung einer Brenn- oder Brutelementumhüllung, bei der der Boden und die übrigen Wandungen aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen oder bei denen der Boden mit Werkstoffen unterschiedlicher Schmelztemperatur angelötet oder angeschweißt ist, ist in vjden Fällen auch dann vorteilhaft, wenn der Brenn- oder Brutstoff nicht in Form von "coated particles" eingefüllt ist.Instead of melting the floors at different temperatures To use materials, it can also be expedient for the fuel and / or breeding element according to the invention the bottoms of the fuel and breeding material channels by means of a soldered seam or to connect a weld seam to the duct walls, where appropriate for pulling the soldered seams or weld seams of the fuel channels and the breeding material channels Different temperatures melting solder material is used. The usage a fuel or breeding element casing, in which the bottom and the other walls consist of different materials or where the floor is made of materials different melting temperature is soldered or welded on, is in vjden Cases also advantageous if the fuel or breeding material is not in the form of "coated particles "is filled.

Die erfindungsmäßige Ausbildung des Brenn" und/oder Brutelements für Kernreaktoren in der Ausführungsform, daß an einer vorgesehenen Stelle des Brennelements bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur das Brennelement durchschmilzt und der Brennstoff herausrieselt, ist außerdem von Vorteil beim Auftreten von Störfällen, wenn zugleich dafür Sorge getragen wird, daß der Brennstoff auf einem vorgegebenen Weg herausrieselt, wobei es ohne weiteres möglich ist, diese Maßnahme den jeweiligen Reaktorbedingungen anzupassen. Ein großer Vorzug der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenn- und/oder Brutelements besteht darin,daß es bei gewissen Störfällen im Reaktor oder auch in der Transportflasche ohne weiteres möglich ist, die Ablösung des Bodens von dem Brenn- und/oder Brutelement durch Ausnutzung der im Brennelement selbst erzeugten sogenannten Nachwärme hervorzurufen, Dies kann atweder selbsttätig ablaufen, doch ist es auch möglich' die Ablösung unter Ausnutzung der durch die Nachwärme hervorgerufenen Authezung herbeizuführen, indem das Brennelement so lange ungekühlt bleibt, bis der Boden auf Grund der ansteigenden Temperaturen abschmilzt. In den vorgenannten Fällen rieselt der Brennstoff nach Abschmelzen des Bodens in einen Behälter, wobei natürlich in an sich bekannter Weise dafür Sorge getragen werden muß, daß bei Störfällen, im Reaktor und der dabei auftretenden Gefahr, daß mehrere Böden abschmelzen, die von aem Behälter aufgenommene Brennstoffmenge unterkritisch bleibt.The inventive training of the fuel "and / or breeding element for Nuclear reactors in the embodiment that at a designated location on the fuel assembly When a certain temperature is exceeded, the fuel element melts and the fuel trickles out is also an advantage in the event of accidents, if at the same time care is taken that the fuel is on a given Trickles out, whereby it is easily possible to measure the respective Adapt reactor conditions. A great advantage of the embodiment described above the fuel and / or breeding element according to the invention is that it is with certain Incidents in the reactor or in the transport bottle just like that it is possible to detach the soil from the fuel and / or breeding element through exploitation the so-called residual heat generated in the fuel assembly itself, this can atneither run automatically, but it is also possible to replace it with use to bring about the authezung caused by the residual heat by the fuel element remains uncooled until the floor is due to the rising temperatures melts. In the aforementioned cases, the fuel trickles down after the Bottom in a container, naturally taking care of it in a manner known per se it must be borne in mind that in the event of accidents, in the reactor and the resulting danger, that several floors melt away, the amount of fuel absorbed by a container remains subcritical.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Brenn- und/oder Brutelement mit kreisringförmigem Querschnitt der. Brenn-oder Brutstoffkanäle im Querschnitts Fig. 2 ein Brenn- und/oder: Brutelement mit gruppenweise in gleichem radialen Abstand zueinander vorgesehenen Brennstoffkanälen mit kreisförmigem Kanalquerschnitt im Querschnitt, -Fig. j einen Brennstozi- oder Brutstoffkanal mit kreisförmigem Querschnitt mit eingelötetem Boden im Längsschnitt; Wie aus Fig. l hervorgeht, sind bei dem erfindungsgemäßen Brenn- und/oder Brutelement mehrere - nach dem wiedergegebenen Ausführungsbeispiel vier - vakuumdicht verschlossene. Zylinder 1 bis 4 koaxial zueinander angeordnet. Diese Zylinder bilden kanalförmige Spalten zur Aufnahme von Brennstoff öder von Brutstoff. So sind nach dem in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiel die von den Zylindern 1 bis ;i gebildeten Kanäle für Brennstoffpartikel und der Kanal 4 für Brutstottpartikel vorgesehen. Doch ist es selbstverständlich auch möglich, bei dem erfindungsgemäßen Element Brennstoffpartikel und Brutstoffpartikel in jeder anderen gewünsch; ten Weise in die Kanäle einzufüllen. Zwischen den: Kanälen 1 bis 4 sind in der Zeichnung nicht dargestellte Abstandhalter vorgesehen, so daß die Distanz der Kanäle auch im Reaktorbe--trieb unverändert bleibt. Der von dem Kanal 1 gebildete Innenraum b und die zwischen den Kanälen 1 bis 4 gebildeten Zwischenräume d bis 8 werden nach dem Einsetzen in den Reaktor von einem Kühlmittel durchströmt. Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht bei der Verwendung von coated particles mit einem Durchmesser von etwa d00 /u darin, die Ringkanäle so auszubilden, daß sie eine Breite von 2 mm besitzen und in einem solchen Abstand zueinander angeordnet sind, daß die Breite der zwischen den von den kreiszylindertörmigen Kanälen zum Durchströmen des Kühlmittels vorgesehenen Kanäle 4,e mm beträgt. Die Wandstärke betrug bei dieser Ausführungsform 0,d mm. Als Werkstoff für die Umhüllung wurde Aluminium verwendet.Two embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. 1 shows a burning and / or Breeding element with a circular cross-section of the. Fuel or breeding material channels in the Cross-section Fig. 2 a fuel and / or: breeding element with groups in the same radial spacing from one another provided fuel channels with a circular channel cross-section in cross section, -Fig. j a fuel or breeding material channel with a circular Cross-section with soldered-in base in longitudinal section; As can be seen from Fig. 1, are in the fuel and / or breeding element according to the invention several - after the reproduced Embodiment four - vacuum-tight closed. Cylinder 1 to 4 arranged coaxially to one another. These cylinders form channel-shaped gaps for taking up fuel or breeding material. So are after that in the drawing reproduced embodiment, the channels formed by the cylinders 1 to; i for fuel particles and channel 4 for brood particles. It still is it is of course also possible for the element according to the invention to use fuel particles and brood particles in each other desired; th way to fill the ducts. Between the: channels 1 to 4 are spacers, not shown in the drawing provided so that the distance between the channels remains unchanged during operation of the reactor. The interior space b formed by the channel 1 and that formed between the channels 1 to 4 Interstices d to 8 are cooled by a coolant after being inserted into the reactor flows through. An expedient embodiment consists in the use of coated particles with a diameter of about d00 / u in forming the ring channels so that they have a width of 2 mm and are arranged at such a distance from one another are that the width of the between the circular cylindrical channels to the Flow through the coolant provided channels 4, e mm. The wall thickness in this embodiment was 0. d mm. The material used for the cladding was Used aluminum.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Brenn-und/oder Brutelements gemäß der Erfindung weisen die Kanäle zur Aufnahme der Brennstoff- oder Brutstotfpartikel kreisförmige Querschnitte auf. Sie sind, wie aus der Zeichnung hervorgeht, gruppenweise mit unterschiedlichem radialen Abstand zueinander angeordnet. Dabei sind jeweils zwei benachbarte Kanäle 9, die mit gleichem radialen Abstand angeordnet sind, durch Querstege 10 so verbunden, daß die Kanäle 9 und die Querstege 10 jeweils die eine Wandung des Kühlkanals 11 bilden: Die Fig. 3 zeigt einen Brennstoffkanal 9 mit kreisförmigem Querschnitt, bei dem der Boden 12 mittels einer Lötnaht 1:3 in an sich bekannter Weise mit der Hülse verbunden ist. Die in Fig. j dargestellte Ausbildung eines Brennelements, bei. der -der Boden an die Hülse angelötet ist, ist selbstverständlich bei Brennelementen mit.kreistörmigenoder kreisringförmiges Querschnitt in gleicher Weise möglich wie bei Brennelementen mit mehreren achsenparallel angeordneten Kanälen. Um zu erreichen, daß der Boden sich bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des für die Hülse des Brennstoffkanals verwendeten Werkstoffs schmilzt, wird bei Verwendung von Aluminium als Werkstoff zweckmäßig aus 87 % al und 1ä % Si bestehendes Aluminiumlot gebraucht. Die Schmelztemperatur dieses Aluminiumlots liegt ea. 1O0° unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums: Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, der Lötnaht 13 nur eine solche Stärke zu erteilen, daß sie nicht dichter als ein Drittel der Wandstärke der Hülse ist. Dadurch wird erreicht, daß bei ansteigender Temperatur der Boden einerseits durch den zunehmenden Gasdruck im Inneren der Hülse, der etwa proportional mit der Temperatur in 0K ansteigt, und durch des Schmelzen der Lötnaht li von der Hülse getrennt wird. ,In the embodiment of the fuel and / or brood element according to the invention shown in FIG. 2, the channels for receiving the fuel or brood particles have circular cross-sections. As can be seen from the drawing, they are arranged in groups at different radial distances from one another. Two adjacent channels 9, which are arranged at the same radial distance, are connected by crossbars 10 so that the channels 9 and the crossbars 10 each form one wall of the cooling channel 11: FIG. 3 shows a fuel channel 9 with a circular cross-section , in which the base 12 is connected to the sleeve in a manner known per se by means of a soldered seam 1: 3. The embodiment of a fuel assembly shown in FIG. the -the bottom is soldered to the sleeve, is of course possible in the same way for fuel assemblies with a circular or circular cross-section as for fuel assemblies with several channels arranged parallel to the axis. In order to ensure that the bottom melts at a temperature below the melting point of the material used for the sleeve of the fuel channel, if aluminum is used as the material, it is advisable to use aluminum solder consisting of 87% aluminum and 1% Si. The melting temperature of this aluminum solder is about 10 ° below the melting temperature of the aluminum: In addition, it has proven advantageous to give the soldered seam 13 only such a thickness that it is not denser than a third of the wall thickness of the sleeve. As a result, when the temperature rises, the bottom is separated from the sleeve on the one hand by the increasing gas pressure in the interior of the sleeve, which rises approximately proportionally with the temperature in 0K, and by the melting of the soldered seam li. ,

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e fuel and / or breeding element for nuclear reactors, in the case of combustibles and / or fragments layered with carbon, carbides or oxides in bulk in the annular gap of a hollow cylinder-shaped vacuum-tight sealed sleeve are included according to patent 1 241 541, d a d ur c h g e it is not possible to say that there are several with different radial distances from one another arranged Brenn- una / or breeding material channels are provided in such a way that of the fuel and / or breeding material channels and, if necessary, webs connecting them coaxially arranged cooling channels are formed. z.

Fuel, una / or breeding element according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the fuel una / or Breeding material channels have annular cross-sections and are arranged coaxially to one another are.

A fuel and a / oaer breeding material element according to claim I., d u r c h e k e n It should be noted that the fuel and / or breeding material channels have circular cross-sections have unct are arranged in groups at different radial distances, the burning and / or brood dead channels provided on the same radius are interconnected by transverse webs that O'uerstege and fuel and / or Breeding material channels each form a wall of a cooling channel. -

4, burning and / or breeding element according to claim 3, a a a u r c n g e k e n n n z e i c h n e t, that the focal points provided with different radial spacing from one another Breeding material channels are arranged offset from one another.

5. Fuel and breeding element according to claims 1 to 4, d a u r c h e k e n n n z ei c h n e t that to the External walls of the fuel or breeding material channels and, if applicable, the channels connecting webs longitudinal and / or transverse ribs, rivets, spot-welded impressions or the like are provided, d. Fuel and / or breeding element according to the preceding Claims that the floors of the fuel and / or breeding material channels each consist of a different material than the walls of the channels, in such a way, that the bottom when exceeding: a predetermined temperature melting, burning and / or breeding element according to claim b, d a d u r c h g e k e It is noted that the bottoms of the fuel canals and the bottoms of the brood material canals consist of materials that melt at different temperatures. $; Burning and / or breeding element according to claims 1 to, d u r c h g e k e n n z ei c h n e t, that ß. the bottoms of the fuel and breeding material channels by means of a soldered seam are connected to the channel walls, where appropriate for pulling the soldered seams the fuel channels and the breeding material channels at different temperatures Melting solder is used.