DE2019829A1

DE2019829A1 - Ceramic fuel for nuclear reactors

Info

Publication number: DE2019829A1
Application number: DE19702019829
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Van Dievoet; Flipot Alfred Jean; Rene Lemaire; Paul Papeleux
Original assignee: Belgonucleaire SA
Current assignee: Belgonucleaire SA
Priority date: 1969-04-24
Filing date: 1970-04-23
Publication date: 1971-01-14
Also published as: FR2039421A7; NL7005951A

Description

Dipl.-Ing.Dipl.-Ing.

Rudolf Busselmeier Rudolf Busselmeier Augsburg, den 20. April 1979-Augsburg, April 20th 1979-

PatentanwaltPatent attorney

Augsburg si· Rehlinsenstraße β Priorität: 24. April 1969 Augsburg si Rehlinsenstrasse β Priority: April 24, 1969

Postfach 242 Belgien P.O. Box 242 Belgium

Postscheckkonto: München Nr. 7«3» P « V» 73·"176 Postal checking account: Munich No. 7 «3» P « V» 73 · "176

5535/50 Th/Sch (* belg.Pat. 731t999)5535/50 Th / Sch (* Belgian Pat. 731t999)

■ - PATENTANMELDUNG■ - PATENT APPLICATION

Belgonucleaire S.A., 35 Rue des Colonies, B-1000 Brüssel, Belgien.Belgonucleaire S.A., 35 Rue des Colonies, B-1000 Brussels, Belgium.

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Keramischer Brennstoff für Kernreaktoren.Ceramic fuel for nuclear reactors.

Die Erfindung betrifft keramischen Brennstoff für Kernreaktoren. Unter keramischem Brennstoff werden insbesondere die Tranäuranelemente, wie Thorium, ■ Uran oder Plutonium in Form einer geeigneten Verbindung verstanden, beispielsweise als Oxyd, Karbid oder Nitrid. .The invention relates to ceramic fuel for nuclear reactors. Ceramic fuel includes, in particular, the Tranäuranelemente, such as thorium, ■ Uranium or plutonium understood in the form of a suitable compound, for example as an oxide, carbide or Nitride. .

Die erwähnten Verbindungen können als Brennstoff auf verschiedene Weise hergestellt werden. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Brennstofftabletten Teilchen der erwähnten Verbindungen in einem Gesenk zusammengepreßt und gesintert. Die gesinterten Tabletten werden dann in dichtschließenden Röhren oder Büchsen gestapelt, welche als Verkleidung bezeichnet werden. Die Verkleidung ist ganz allgemein ein metallisches Gehäuse, welches dazu geeignet ist, den Brennstoff vom Kühlmittel getrennt zu halten und vor den Kühlmittel zu schützen. Da· Kühlmittel fließt durch den Kernreaktor. The compounds mentioned can be produced in various ways as fuel. For example, in the production of fuel pellets, particles of the compounds mentioned are pressed together in a die and sintered. The sintered tablets are then stacked in tightly fitting tubes or cans called liners. The cladding is generally a metallic housing which is suitable for keeping the fuel separated from the coolant and protecting it from the coolant. Because · coolant flows through the nuclear reactor.

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in welchem der Brennstoff verwendet werden soll.in which the fuel is to be used.

Eine andere bekannte Technik zum Herstellen von Brennstoff ist das "Vibrocompacting". Bei dieser Technik werden einzelne Teilchen von verschiedenen Kornfraktionen ' einer der erwähnten Verbindungen in eine im wesentlichen aufrechtstehende Röhre oder Büchse eingeführt, während die Röhre oder Büchse in schnelle Schwingungen versetzt wird.Another known technique for producing fuel is "vibrocompacting". With this technique are individual particles of different grain fractions' one of the compounds mentioned in a substantially upright tube or sleeve is inserted while the tube or sleeve is in rapid succession Vibrations are added.

Jede Form eines Kernbrennstoffs hat eine bestimmte "Spaltbarkeits-Konzentration" (fissile concentration). Im Hinblick auf diese Beschreibung und die Patentansprüche betrifft der Ausdruck "Spaltbarkeits-Konzentration" die durchschnittliche Energie-£missionsrate pro Volumen- und Zeiteinheit eines vorgegebenen Kernbrennstoffs bei . vorgegebenen Betriebsbedingungen in einem Kernreaktor. . Diejenigen Brennstoff welche durch eine höhere "Spaltbarkeits-Konzentration" als andere gekennzeichnet sind, werden unter einer vorgegebenen Gruppe von Betriebsbedingungen mehr Energie pro Zeiteinheit und pro Volumeneinheit erzeugen. Um einen Brennstoff einer gewünschten "Spaltbarkeits-Konzentration" herzustellen, können beispielsweise Tabletten oder durch Vibration verdichtete Brennstoffe bereitet werden, welche Mischungen von mindestens zwei Fraktionen radioaktiver Teilchen besitzen,. wobei die die eine Fraktion bildenden Teilchen Energie mit einer Rate aussenden, welche von der Energieausstoßrate der anderen Fraktion unterschiedlich ist. Each form of nuclear fuel has a specific "fissile concentration". With regard to this description and the claims, the term "fissile concentration" relates to the average energy emission rate per unit volume and time of a given nuclear fuel. specified operating conditions in a nuclear reactor. . Those fuels which are characterized by a higher "fissile concentration" than others will generate more energy per unit of time and per unit of volume under a given set of operating conditions. In order to produce a fuel of a desired "fissile concentration", for example tablets or fuels compacted by vibration can be prepared which have mixtures of at least two fractions of radioactive particles. wherein the particles forming one fraction emit energy at a rate which is different from the energy ejection rate of the other fraction.

Brennstoffe der vorerwähnten Art sind bekannt und werden als "gemischte" Brennstoffe bezeichnet. Solche "gemischte" Brennstoffe besitzen leider gewiase Nach teile. An erster Stell· wird die darin erzeugt· Energie gewöhnlich durch di· Temperatur begrenzt, welche unter Fuels of the aforementioned type are known and are referred to as "mixed" fuels. Unfortunately, such "mixed" fuels have certain disadvantages. In the first place, the energy generated therein is usually limited by the temperature, which is below

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Normalbedingungen im BrennstoffZentrum herrscht. Diese Temperatur muß unterhalb der Fusionstemperatur verbleiben. Es hat sich auch als schwierig erwiesen, reproduzierbare heterogene vibrationsverdichtete Brennstoffmischungen herzustellen. Oft wollen sich die Körner einer Fraktion in nicht gleichförmiger Weise in der Nähe des Zentrums der äußeren Kanten der Brennstoffmasse im Behälter vereinigen. Insbesondere dann, wenn die Konzentration der spaltbaren Atome größer in einer der Fraktionen ist, kann die Spaltbarkeitsverteilung nicht kontrolliert und reproduziert werden. Infolgedessen sind Verbesserungen in Brennstoffkörpern notwendig, damit sie ähnliche Vorteile besitzen wie die gemischten Brennstoffe, jedoch weniger Nachteile.Normal conditions prevail in the fuel center. These Temperature must remain below the fusion temperature. It has also proven difficult to produce reproducible, heterogeneous vibrationally compressed fuel mixtures. Often the grains want one Fraction in a non-uniform manner near the Unite the center of the outer edges of the fuel mass in the container. Especially when the concentration of the fissile atoms is larger in one of the fractions, the fissile distribution cannot be controlled and can be reproduced. As a result, there are improvements necessary in fuel bodies in order that they have similar advantages as the mixed fuels, however fewer disadvantages.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Vorsehen eines keramischen Brennstoffkörpers, dessen Volumen in mindestens zwei zylindrische Brennstoffzonen unabhängiger, vorgegebener und gesteuerter Zusammensetzung geteilt ist, wobei die eine Zone die andere umgibt. Vorzugsweise unterscheidet sich die Spaltbarkeits-Konzentration in einer der Zonen von derjenigen in der anderen.The present invention solves this problem Providing a ceramic fuel body, the volume of which is divided into at least two cylindrical fuel zones of independent, predetermined and controlled composition is divided, with one zone surrounding the other. Preferably the concentration of cleavage is different in one of the zones from the one in the other.

Vorzugsweise besitzt diejenige Zone, welche am nächsten am Reaktorkühlmittel liegen soll, gewöhnlich die umgebende Zone, die größere Spaltbarkeits-Konzentration. Dies ermöglicht es, den Brennstoff mit höherer Energieleistung pro Volumen- oder Längeneinheit ohne Schmelzen zu betreiben, weil der größere Teil der thermischen Energie in der Nähe der äußeren Kante (Außenwand) des Brenn- . Stoffkörpers freigesetzt wird.The zone which is to be closest to the reactor coolant, usually the surrounding zone, preferably has the greater fissile concentration. This makes it possible to use the fuel with higher energy output per unit volume or length without melting operate because the greater part of the thermal energy near the outer edge (outer wall) of the combustion. Body is released.

Es ist hervorzuheben, daß der Ausdruck "zylindrisch" in weitem Sinn gemeint ist. Im Zusammenhang mit "Zonen" soll der Ausdruck "zylindrisch" solche Zonen bezeichnen,It should be emphasized that the term "cylindrical" is meant in a broad sense. In connection with "zones", the term "cylindrical" is intended to denote such zones,

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deren seitliche Oberflächen durch gerade Linien erzeugt, werden, welche sich jeweils parallel zu einer vorgegebenen geraden Linie bewegen und eine gegebene Kurve oder gebrochene Linie schneiden. Es sollen also Zonen in der Form runder Zylinder oder Ellypsoide oder Prismen eingeschlossen sein. Die obere und die untere Oberfläche dieser Zonen können senkrecht zu der den Zylinder erzeugenden Achse liegen, sie können aber auch nicht senkrecht hierzu liegen. Außerdem ist es möglich, daß sie parallel oder nicht parallel zueinander verlaufen oder eben.whose lateral surfaces are created by straight lines, which are each parallel to a given one move straight line and intersect a given curve or broken line. So there should be zones in the form round cylinders or ellipsoids or prisms may be included. The top and bottom surfaces of these zones can be perpendicular to the axis generating the cylinder, but they can also not be perpendicular to it. It is also possible that they run parallel or not parallel to one another or even.

Es ist ferner hervorzuheben, daß der Ausdruck "umgebend" ebenfalls in des Wortes weitester Bedeutung zu verstehen ist. Xm Zusammenhang mit "Zone" bezeichnet der Ausdruck "umgibt" oder "umgebend" eine Zone mit einem inneren Umfang, welcher angrenzend an oder benachbart dem größeren Teil der anderen Zone liegt. Vorzugsweise umgibt der innere Umfang im wesentlichen den gesamten äußeren Umfang der anderen oder einer anderen Zone im selben Brennstoffkörper. It should also be emphasized that the term "surrounding" is also used in the broadest sense of the word understand is. In the context of "zone", the term "surrounds" or "surrounds" means a zone having a inner circumference, which is adjacent to or adjacent to the larger part of the other zone. Preferably the inner circumference surrounds substantially the entire outer circumference the other or another zone in the same fuel body.

Der geforderte Unterschied in der Zusammensetzung kann auch vorgesehen sein, wenn die mindestens beiden Brennstoffzonen die gleiche radioaktive Verbindung enthalten. Dies kann beispielsweise durch Hinzufügen eines zusätzlichen Materials zu einer der Zonen geschehen, welches den'Energieausstoß beeinflußt, wie beispielsweise ein brennbares Gift. Es kann auch geschehen durch eine vorgegebene unterschiedliche physikalische Form, Teilchendurchmesser, Lückenvolumen oder Dichte der Teilchen in den entsprechenden Zonen oder durch jede andere geeignete Technik· Wenn andererseits die zumindest zweifach vorhandenen Zonen unterschiedliche radioaktive Verbindungen oder zumindest unterschiedliche Isotope enthalten, können die Körner in einer Zone die gleiche oder unterschiedliche physikalische Form, Teilchendurchmeseer, Lückenvolumen und PackungsdichteThe required difference in composition can also be provided if the at least two fuel zones contain the same radioactive compound. This can be done, for example, by adding an additional material to one of the zones, which affects the energy output, such as a flammable poison. It can also be done through a predetermined one different physical shape, particle diameter, void volume or density of the particles in the corresponding Zones or by any other suitable technique · If, on the other hand, there are at least two zones The grains can contain different radioactive compounds or at least different isotopes a zone has the same or different physical shape, particle diameter, void volume and packing density

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wie in der anderen Zone aufweisen. Dies hängt davon ab, ob die verschiedenen Verbindungen oder Isotopen selbst ausreichend unterschiedlich in ihrer Energieproduktion sind.as in the other zone. This depends on whether the various compounds or isotopes themselves are sufficiently different in their energy production.

Nachstehend wird die Erfindung genauer anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail below with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 bis 10 schematische Querschnitte einer Anzahl beispielsweiser Formen der zylindrischen Zonen, wobei die Querschnitte senkrecht zu den die Zylinder bildenden Achsen gelegt sind, (Figures 1 to 10 are schematic cross-sections of a number for example shapes of the cylindrical zones, the cross-sections being perpendicular to the the cylinders forming axes are placed, (

Fig. 11 einen Längsschnitt durch einen Brennstoffbehälter mit einem aufθinandergeschichtβten Stoß der erfindungsgemäßen Brennstoffelemente,11 shows a longitudinal section through a fuel container with a one on top of the other Joint of the fuel elements according to the invention,

Fig. 12 einen Querschnitt entlang Linie 12-12 gemäß Fig. 11,FIG. 12 shows a cross section along line 12-12 according to FIG. 11,

Fig. 13 bis 15 aufeinanderfolgende schematische13 to 15 successive schematic

Darstellungen der Herstellung von vibrationsverdichtetem Brennstoff gemäß Erfindung. M Illustrations of the production of vibration-compressed fuel according to the invention. M.

Wie aus Fig. 1 bis 10 ersichtlich ist, können die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente und die zylindrischen Zonen, welche sie enthalten, sowohl in Zahl als auch in Form variieren. Die einfachste und bevorzugteste Form ist in Fig* 1 dargestellt. Bei ihr ist, wie bei sämtlichen anderen Figuren, die innere zylindrische Zone 20 von einer äußeren zylindrischen Zone 21 umgeben. Die Zone 20 der Fig. 1 ist ein runder Zylinder, während die Zone 21 •in Ringkörper ist* Bei der Auaführungaform gemäß Fig. As can be seen from FIGS. 1 to 10, the fuel elements according to the invention and the cylindrical zones which they contain can vary both in number and in shape. The simplest and most preferred form is shown in FIG. In it, as in all the other figures, the inner cylindrical zone 20 is surrounded by an outer cylindrical zone 21. The zone 20 of FIG. 1 is a round cylinder, while the zone 21 • is an annular body * In the case of the embodiment according to FIG.

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besitzt die'Kernzone oder innere zylindrische Zone 20 und die umgebende zylindrische Zone 21 quadratischen Umriß, gesehen in Querschnittsrichtung, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Brennstoffkörpers (wie in Fig. 2 dargestellt).has the core zone or inner cylindrical zone 20 and the surrounding cylindrical zone 21 has a square outline when viewed in the cross-sectional direction, i.e. in a Plane perpendicular to the longitudinal axis of the fuel body (as shown in Fig. 2).

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 besitzen das Kernstück 20 und die umgebende zylindrische Zone 21 beide sechseckige Gestalt.In the embodiment according to FIG. 3 have the Core 20 and the surrounding cylindrical zone 21 are both hexagonal in shape.

Fig. 4 zeigt, daß auch mehr als zwei Brennstoffzonen vorhanden sein können. Bei dieser Ausführungs-P form ist eine erste ringförmige Brennstoffzone 21 von einer zweiten ringförmigen Brennstoffzone 22 umgeben. Die beiden zylindrischen Brennstoffzonen umgeben eine dritte zylindrische Brennstoffzone 20, welche den Kern des Brennstoffkörpers bilden.Fig. 4 shows that there can be more than two fuel zones. In this embodiment, a first annular fuel zone 21 is surrounded by a second annular fuel zone 22. The two cylindrical fuel zones surround a third cylindrical fuel zone 20 which forms the core of the fuel body.

Die vorerwähnten Ausführungsbeispiele zeigen die innere und äußere zylindrische Zone bzw. äußeren zylindrischen Zonen des Brennstoffkörpers jeweils in konzentrischer Anordnung und, im Querschnitt gesehen, von ähnlicher Form. Dies ist die bevorzugte Ausführungsart der Erfindung. Es kann jedoch, wie dies in Fig. 5 bis 7 dargestellt ist, fc auch die innere zylindrische Zone aus dem. Zentrum der umgebenden Brennstoffzone versetzt sein. So besitzt beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß Fig, 5 der Kern 20 die Form einesjrunden Zylinders. Die umgebende Brennstoffzone, welche ebenfalls ein runder Zylinder ist, weist eine exzentrisch angeordnete Öffnung auf, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser des Kerns 20 ist, so daß die beiden Zonen auf dem gesamten Umfang des Zylinders 20 benachbart liegen. Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform ist der in Fig. dargestellten ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Umfangsflächen der Brennstoffzon«n 20 und 21 «ich berühren undThe aforementioned embodiments show the inner and outer cylindrical zones and outer cylindrical zones, respectively Zones of the fuel body each in a concentric arrangement and, viewed in cross section, of a similar shape. This is the preferred embodiment of the invention. However, as shown in Fig. 5 to 7, fc also the inner cylindrical zone from the. Be offset from the center of the surrounding fuel zone. So owns for example in the embodiment according to FIG Core 20 has the shape of a round cylinder. The surrounding fuel zone, which is also a round cylinder, has an eccentrically arranged opening, the diameter of which is substantially equal to the outer diameter of the core 20, so that the two zones are adjacent on the entire circumference of the cylinder 20. the The embodiment shown in Fig. 6 is similar to that shown in Fig., except that the peripheral surfaces the fuel zones 20 and 21 I touch and

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daß deshalb die Zone 21 die Zone 20 nicht vollständig umgibt. Fig. 7 zeigt, daß das Prinzip des Versetzens der inneren und äußeren Zonen nicht auf Brennstoffkörper mit runder Form beschränkt ist. Figur 7 zeigt beispielsweise eine umgebende Zone 21 und ein versetztes Kernstück 20, welche beide im Querschnitt rechteckig sind.that is why the zone 21 does not completely surround the zone 20. Fig. 7 shows that the principle of offsetting the inner and outer zones do not affect fuel bodies with a round shape is limited. For example, FIG. 7 shows a surrounding zone 21 and an offset core 20, both of which are rectangular in cross section.

Fig. 8 bis 10 zeigen, daß die Querschnitte der inneren und äußeren Zonen voneinander unterschiedlich sein können. Fig. 8 und 9 zeigen quadratische Kerne mit runden und hexagonalen Zonen 21. Fig. 10 zeigt einen runden Kern 20, der von einer quadratischen Zone 21 umgeben ist. Unter Berücksichtigung dieser erfindungsgemäßen Prinzipien wird der durchschnittliche Fachmann leicht Brennstoffkörper konstruieren« welche Zonen enthalten, welche von den vorerwähnten sowohl hinsichtlich ihrer Gestalt als auch ihrer Anzahl und ihrer Anordnung abweichen. Figures 8-10 show that the cross-sections of the inner and outer zones can be different from one another. 8 and 9 show square cores with round and hexagonal zones 21. FIG. 10 shows a round core 20 which is surrounded by a square zone 21. With these inventive principles in mind, those of ordinary skill in the art will readily construct fuel bodies which contain zones which differ from those mentioned above in terms of both their shape and number and arrangement.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffkörper können in jeder gewünschten Weise in einem Kernreaktor angeordnet werden. Beispielsweise kann man in einem einzigen Produktionsgang eine große Anzahl (mehr als Hundert) Tabletten 25 herstellen, welche in einer oder mehreren Büchsen 2k einer jeden gewünschten Tablettenkapazität aufgestapelt werden können.The fuel bodies according to the invention can be arranged in a nuclear reactor in any desired manner. For example, a large number (more than a hundred) tablets 25 can be produced in a single production run, which tablets can be stacked in one or more cans 2k of any desired tablet capacity.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 besitzen die Tabletten 25 sämtlich die gleiche Querschnittsform wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Der äußere Durchmesser der äußeren Brennstoffzone 21 ist bei jeder Tablette im wesentlichen gleich dem inneren Durchmesser der Büchse 2k» Wie dies nachstehend erläutert werden wird, kann die innere Zone 20 einer jeden Tablette 25 beispielsweise auch separat von der äußeren Zone 21 geformt werden. So kann Brennmaterial, wie pulverisiertes Uraniumoxyd einer In the embodiment according to FIG. 11, the tablets 25 all have the same cross-sectional shape as shown in FIG. 1. The outer diameter of the outer fuel zone 21 for each tablet is substantially the same as the inner diameter of the can 2k. As will be explained below, the inner zone 20 of each tablet 25 can also be formed separately from the outer zone 21, for example. So can fuel, such as powdered uranium oxide

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kontinuierlich drehenden Tablettierpresse zugeführt werden, welche kontinuierlich und reproduzierbar eine Mehrzahl innerer Zonen 20 ausformt, wobei die Spaltbarkeits-Konzentration im wesentlichen gleichförmig über die gesamte innere Zone und von einer inneren Zone zur anderen ist« Gleichzeitig kann eine andere kontinuierlich drehende Tablettierpresse, welche ein Gesenk zur Erzeugung von Ringformen, aufweist, mit einer gleichartigen Mischung von Uranoxyd und Plutoniumoxydpulver beschickt werden, damit diese Presse äußere Zonen 21 herstellt, wobei die Spaltbarkeits-Konzentration im wesentlichen gleichcontinuously rotating tableting press, which continuously and reproducibly a plurality inner zones 20 formed, the cleavage concentration is substantially uniform over the entire inner zone and from one inner zone to the other " At the same time, another continuously rotating tableting press, which has a die for the production of Ring shapes, are charged with a similar mixture of uranium oxide and plutonium oxide powder, in order for this press to produce outer zones 21, the fissile concentration being substantially the same

fc durch jede äußere Zone und von einer äußeren Zone zur anderen ist. Mit Hilfe der Unterschiede in der Zusammensetzung der jeweiligen Zonen ist die Spaltbarkeits-Konzentration der äußeren Zone merklich größer als die Konzentration in den Kernen 20. Die zylindrischen Glieder oder Zonen 20 aus der ersten Presse werden in die Öffnungen in den von der zweiten Presse geformten Ringteilen 21 eingeschoben. Die daraus resultierenden Brennstoffbestandteile können dann in ein Gesenk eingelegt werden, welches die Form eines runden Zylinders mit dem im wesentlichen gleichen Durchmesser wie der äußere Durchmesser des Brennstoffbauteils besitzt. In diesem Gesenk oder dieser Preßform wird jedes zusammengesetzte Brenn-fc through each outer zone and from an outer zone to the other is. With the help of the differences in the composition of the respective zones is the fissile concentration the outer zone markedly greater than the concentration in the nuclei 20. The cylindrical members or zones 20 from the first press become in the openings in the ring parts formed by the second press 21 inserted. The resulting fuel components can then be placed in a die which is in the shape of a round cylinder with substantially the same diameter as the outer diameter of the fuel component. In this die or this press mold, every composite flame

w stoffstück mit einem vorgegebenen und gleichmäßig produzierten Druck beaufschlagt, damit die inneren und die äußeren Zonen sich fest aneinanderbinden. Danach wird das miteinander verbundene Brennstoffbauteil aus der Presse ausgestoßen. Alle Brennstoffbauteile werden unter gleichen Bedingungen gesintert. Danach werden die gesinterten Bauteile oder Tabletten in Büchsen 2k gestapelt, wie dies in Fig. 11 und 12 dargestellt ist. Auf diese Weise entsteht tablettierter Brennstoff mit einer Umhüllung. w piece of fabric is subjected to a predetermined and evenly produced pressure so that the inner and outer zones are firmly bonded to one another. The connected fuel component is then ejected from the press. All fuel components are sintered under the same conditions. Thereafter, the sintered components or tablets are stacked in cans 2k as shown in Figs. In this way, pelleted fuel is produced with a coating.

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Mit Hilfe der vorerwähnten Technik kann man einen Kernbrennstoff schaffen, der eine Umhüllung 24 und darin aufgestapelte mehrere Brennelemente 25 besitzt, wobei die Brennelemente 25 eine innere Zone und eine äußere Brennstoffzone umfassen. Die inneren Zonen 20 der Brennstoffelemente 25 besitzen jeweils im Verhältnis zu den anderen inneren Zonen 20 anderer Elemente 25 im wesentlichen gleiche Spaltbarkeits-Konzentration. Die Spaltbarkeitskonzentration der äußeren Zonen ist im wesentlichen innerhalb der einzelnen Zonen 21 der verschiedenen Tabletten 25, welche sich in der Umhüllung befinden, ebenfalls gleich.With the help of the aforementioned technique, one can create a nuclear fuel that has a cladding 24 and therein has stacked several fuel assemblies 25, wherein the fuel assemblies 25 include an inner zone and an outer fuel zone. The inner zones 20 of the fuel elements 25 each have, in relation to the other inner zones 20, other elements 25 essentially same concentration of cleavage. The fissile concentration of the outer zones is essentially within the individual zones 21 of the various Tablets 25, which are located in the envelope, are also the same.

Wie es in Fig. 13 bis 15 dargestellt ist, können vibrationsverdichtete Brennstoffkörper beispielsweise in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt werden. Die Einrichtung zum Ausformen des Brennstoffs in dieser Weise ist schematisch in Fig. 13 und 14 dargestellt. Eine Brennstoffbüchse oder Brennstoffhülle 27» welche aus jedem geeigneten konventionellen Umhüllungsmaterial besteht, wird mit Hilfe einer Befestigungseinrichtung 29 mit dem Vibriertisch 28 verbunden, so daß die Büchse 27 und ihr Inhalt in Vibration versetzt werden können. Eine Pulverleitröhre 20, welche dieselbe Länge wie die Büchse 27 besitzt, jedoch einen geringeren Durchmesser aufweist, ist im Zentrum der Büchse und dieser gegenüber verschiebbar befestigt. Die Büchse 27 und die Pulverleitröhre 30 besitzen jeweils ihre eigenen Fülltrichter 32 und 33. Die Teilchen 35, deren Durchmesser in Micron gemessen werden, werden durch den Trichter Jl in die keramische Brennzone 22 zugeführt, welche durch die Büchse 27 und die äußere Oberfläche der Pulverleitröhre 30 definiert ist. Eine gleiche Zusatzmischung von großen Teilchen und kleineren Teilchen 34 wird über den Trichter Jl lediglich in die zentrale Füllzone 20 eingefüllt, welche durch das Innere der Pulverleitröhr· 30 definiert wird. Da die For example, as illustrated in Figures 13-15, vibration-compacted fuel bodies can be made in accordance with the invention. The means for forming the fuel in this manner is shown schematically in FIGS. A fuel can or fuel sleeve 27 'made of any suitable conventional wrapping material is attached to the vibrating table 28 by a fastener 29 so that the can 27 and its contents can be vibrated. A powder guide tube 20, which has the same length as the sleeve 27, but has a smaller diameter, is attached in the center of the sleeve and displaceably with respect to it. Can 27 and powder feed tube 30 each have their own hoppers 32 and 33. Particles 35, the diameters of which are measured in microns, are fed through funnel Jl into ceramic firing zone 22 which passes through can 27 and the outer surface of the powder feed tube 30 is defined. A similar additive mixture of large particles and smaller particles 34 is filled via the funnel Jl only in the central filling zone 20 which is defined by the interior of the Pulverleitröhr · 30th Since the

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vorerwähnten Teilchen in zwei verschiedene Zonen gefüllt werden, verursacht die Vibration der Büchse und ihres Inhalts, daß die Teilchen 35 eng In einer dichten Masse in der Zone 21 gepackt werden. Gleichzeitig werden die Teilchen 33 ebenso dicht gepackt, wie es ihr Durchmesser in der Zone 20 erlaubt, wobei die kleineren Teilchen die Leervolumina zwischen den Teilchen 33 ausfüllen. Die Fig. 13 und 14 zeigen zeitlich jeweils aufeinanderfolgende Stufen der Befüllung. Während die Büchse und die Pulverleitröhre 30 gleichzeitig gefüllt und der Inhalt vollständig verdichtet wird, wird die Pulverleitröhre 30 fortlaufend weiter zurückgezogen.The aforementioned particles are filled in two different zones, causing the can and hers to vibrate Contents that the particles 35 closely in a dense mass be packed in zone 21. At the same time, the particles 33 are packed as tightly as their diameter allowed in zone 20, the smaller particles filling up the void volumes between particles 33. the 13 and 14 show successive ones in time Levels of filling. While the can and the powder tube 30 filled at the same time and the contents complete is compressed, the powder guide tube 30 becomes continuously withdrawn.

Das sich ergebende Produkt, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, ist eine kompakte Masse von vibrationsverdichtetem Brennstoff, welche in zwei einzelne Zonen getrennt ist, die eine klare Trennlinie oder Trennschicht besitzen. Bei dem Brennstoff gibt es eine erste Gruppe relativ großer Teilchen 33» die auf eine der vorerwähnten Zonen beschränkt ist und eine andere Gruppe kleinerer Teilchen 35· welche auf die andere der genannten Zonen beschränkt ist. Die Erfindung macht es also möglich, relativ kleine Teilchen 35 wirksam von anderen Brennstoffteilchen zu trennen, wie beispielsweise von Brennstoffteilchen 33, welche mindestens zweimal so groß und sogar mehrfach größer sein können als die Teilchen 35* Bekannte vibrationsverdichtete Brennstoffe enthalten sowohl große als auch kleine Teilchen, wobei die großen Teilchen in einer nicht gleichmäßigen und nicht reproduzierbaren Weise über das gesamte Brennstoffvolumen verteilt sind. Demgegenüber sind bei der vorliegenden Erfindung die größeren Teilchen wirksam auf eine Zone beschränkt, die im wesentlichen geringer ist ale das gesamte Volumen des Brennstoffs; Auf diese Weise ist es möglich, die relativenThe resulting product, as shown in Figure 15, is a compact mass of vibrationally compressed fuel which is separated into two distinct zones which have a clear dividing line or layer. In the fuel there is a first group of relatively large particles 33 'which is restricted to one of the aforementioned zones and another group of smaller particles 35 which is restricted to the other of the aforementioned zones. The invention thus makes it possible to effectively separate relatively small particles 35 from other fuel particles, such as fuel particles 33, which can be at least twice as large and even several times larger than the particles 35 * Known vibration-compacted fuels contain both large and small particles wherein the large particles are distributed in a non-uniform and non-reproducible manner over the entire volume of fuel. In contrast, in the present invention, the larger particles are effectively confined to a zone that is substantially less than the total volume of the fuel; In this way it is possible, the relative

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Spaltbarkeits-Konzentrationen in einer Anzahl von Brennstoffzonen von einem Element zum anderen reproduzierbar zu steuern*Fissile Concentrations in a number of fuel zones to be controlled reproducibly from one element to another *

Ganz allgemein ist es, unabhängig davon, ob man Brennstoff tabletten oder vibrationsverdichteten Brennstoff, wie vorerwähnt, herstellt, zweckmäßig, den Brennstoff in einer solchen Weise zu bereiten, daß die Konzentration des Brennstoffs innerhalb der gesamten inneren Zone eines jeden Brennstofftyps so gleichmäßig wie möglich ist. Das gleiche gilt für die äußere Zone. Absolute Gleichmäßigkeit ist jedoch ein Ideal, das nur selten, wenn überhaupt, erreicht wird. Dementsprechend dient der Ausdruck "im wesentlichen gleichförmig¹' dazu, einen gewissen Spielraum im Niveau der Gleichförmigkeit zu lassen, wie sie erfindungsgemäß gefordert wird. Die Anforderungen gemäß Erfindung werden deshalb durch einen in zwei Zonen geteilten Brennstoff erfüllt, wobei diese beiden Zonen voneinander abweichende Spaltbarkeits-Konzentrationen aufweisen. Über eine Vielzahl von Brennstoffkörpern besteht eine reproduzierbare und größere Differenz in der Spaltbarkeits-Konzentration zwischen verschiedenen Zonen eines einzelnen Brennstoffkörpers als zwischen den Spaltbarkeits-Konzentrationen in ähnlichen Zonen verschiedener Brennstoffkörper.In general, regardless of whether one produces fuel pellets or vibration-compressed fuel as mentioned above, it is appropriate to prepare the fuel in such a way that the concentration of the fuel is as uniform as possible within the entire inner zone of each fuel type . The same goes for the outer zone. However, absolute uniformity is an ideal that is seldom, if ever, achieved. Accordingly, the expression "substantially uniform ¹ " serves to leave a certain margin in the level of uniformity, as is required according to the invention. The requirements according to the invention are therefore met by a fuel divided into two zones, these two zones having differing fissibility Over a large number of fuel bodies there is a reproducible and greater difference in the fissile concentration between different zones of an individual fuel body than between the fissile concentrations in similar zones of different fuel bodies.

Extrem geringe Differenzen in der Zusammensetzung der zwei oder mehr Zonen können die erfindungsgemäß gewünschten Differenzen mit sich bringen. Beispielsweise kann bei Brennstoffkörpern, welche, in zwei Zonen geteilt sind und das gleiche radioaktive keramische Brennmaterial enthalten, der Einschluß von nur 0,1 Gew.-% brennbaren Giftes in einer der Zonen die gewünschte Zusammensetzungsdifferenz bringen. Andererseits können die in den zwei oder mehr Zonen benutzten keramischen Materialien vollständig unterschiedlich sein, wodurch die Differenz hinsichtlich der Zusammensetzung von den genannten 0,1 bis 100 Gew.-tf betragen kann.Extremely small differences in the composition of the two or more zones can bring about the differences desired according to the invention. For example, in fuel bodies, which are divided into two zones and the same radioactive material include ceramic fuel, the inclusion of only 0.1 wt -% bring burnable poison in one of the zones the desired composition difference.. On the other hand, the ceramic materials used in the two or more zones can be completely different, as a result of which the difference in composition can be from 0.1 to 100 percent by weight of the aforesaid.

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Die Erfindung wird nachstehend durch nicht beschänkende Beispiele erläutert, in denen sämtliche Merkmale wichtig sind, es sei denn, daß das Gegenteil ausdrücklich gesagt ist:The invention is hereinafter described by way of non-limiting Examples are given in which all characteristics are important, unless expressly stated to the contrary is:

Example 1;

Unter Benutzung einer kontinuierlichen Dreh-Tablettierpress_e werden zylindrische Tabletten mit 5 nun Durchmesser durch Komprimieren von Uranoxydpulver, welches feiner als 100 Micron ist, auf 5,1 g/cm zusammengepreßt. Mit einer zweiten kontinuierlichen Dreh-Tablettierpresse werden ringförmige Tabletten mit einem Innendurchmesser vonUsing a continuous rotary tableting press Cylindrical tablets with a diameter of 5 are now made by compressing uranium oxide powder, which is finer than 100 microns compressed to 5.1 g / cm. With A second continuous rotary tableting press produces annular tablets with an inner diameter of

ψ 5,2 mm und einem Außendurchmesser von 12 mm hergestellt, indem ein Gemisch von 70 % des erwähnten Uranoxydpulvers und 30 % Plutoniumoxydpulver, das feiner als kO Micron ist, auf eine Dichte von 5,2 g/cm komprimiert wird. Die zylindrischen Tabletten und die ringförmigen Tabletten besitzen beide eine Höhe von 9 mm. Jede zylindrische Tablette ist in eine ringförmige Tablette eingesetzt und bildet eine zusammengesetzte Tablette. Jede zusammengesetzte Tablette wird in eine Presse eingesetzt, die eine zylindrische Gesenkausnehmung von etwas mehr als 12 mm im Durchmesser besitzt. In diesem Gesenk wird die Tablette zwischen flachen Stempeln mit einem angelegten Druck von 4000 kg/cm ψ 5.2 mm and an outer diameter of 12 mm produced by a mixture of 70 % of the mentioned uranium oxide powder and 30 % plutonium oxide powder, which is finer than kO micron, is compressed to a density of 5.2 g / cm. The cylindrical tablets and the ring-shaped tablets both have a height of 9 mm. Each cylindrical tablet is inserted into an annular tablet and forms a composite tablet. Each composite tablet is placed in a press which has a cylindrical die recess a little more than 12 mm in diameter. In this die, the tablet is placed between flat punches with an applied pressure of 4000 kg / cm

^ auf eine Dichte von 5,3 g/cm verdichtet. Beim Ausstoß des Verbundkörpers aus der Presse stellt sich heraus, daß die zylindrischen und ringförmigen Tabletten als Folge der Reibung innerhalb der zusammengepreßten Verbundkörper miteinander verbunden sind.^ compressed to a density of 5.3 g / cm. When ejecting the composite body from the press turns out that the cylindrical and annular tablets as a result the friction within the compressed composite bodies.

Jeder Verbundkörper wird dann drei Stunden lang bei 165Ο C in einer Atmosphäre mit 95 Vol.-% Argon und 5 Vol.-% Wasserstoff gesintert, damit eine endültige Dichte von 10,1 g/cm erreicht wird. Stapel der so hergestellten Tabletten in einer engschließenden Umhüllung aus rostfreiem Stahl produzieren einen höheren EnergieausstoßEach composite body is then for three hours at 165 ° C in an atmosphere with 95 vol .-% argon and 5% by volume of hydrogen sintered so that a final density of 10.1 g / cm is achieved. Pile of the so produced Tablets in a tight-fitting casing made of stainless steel produce a higher energy output

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ohne Schmelzen, als andere ähnliche Brennstoffelemente, in denen die gleichen Anteile an Uranoxyd und Plutoniumoxydpulver im gesamten Volumen dee Brennstoffelement« verteilt sind.without melting, than other similar fuel elements in which the same proportions of uranium oxide and plutonium oxide powder are distributed in the entire volume of the fuel element.

Example 2:

Bei diesem Beispiel wird eine Vorrichtung verwendet, wie sie in Fig. 13 bis 15 dargestellt ist. Die Büchse besitzt einen inneren Durchmesser von 9 mm,und das Pulverleitrohr besitzt einen inneren Durchmesser von 5 mm und eine Wanddicke von 1 mm. Während der Vibrationstisch mit einem elektrodynamischen Generator mit einer Leistung von 0,4 kW in Schwingungen versetzt wird, wird die innere Zone der Büchse, die von der Pulverleitröhre umschlossen wird, allmählich mit frei-fließendem, gesintertem Uranoxydpulver gefüllt, das die folgenden Kornfraktionen enthält: 60 % große Körner von 1,7 bis 1,4 mm; 25 % mittlere Körner von 0,21 bis 0,l8 mm und I5 % Feinkorn mit weniger als 40 Micron. Gleichzeitig wird, während nahezu der gleiche Füllspiegel wie in der Pulverleitröhre aufrechterhalten wird, die äußere Zone der Büchse, die von der Pulverleitröhre und der Büchse begrenzt wird, mit einem Gemisch aus gesinterten sphärischen Teilchen aus Uranoxyd und Plutoniumoxyd gefüllt, die einen Durchmesser von ca. Mikron aufweisen und mit Hilfe einer Sol-Gel-Fällung bereitet sind, wobei diese Mischung 70 % Uranoxyd und 30 % Plutoniumoxyd enthält. Während sich die innere und äußere Zone füllen, wird die Pulverleitröhre allmählich zurückgezogen, wobei das untere Ende der Röhre ständig unterhalb des Materialniveaus in beiden Zonen bleibt. Die Büchse (Umhüllung) und der Inhalt werden während des Zurückziehens der Pulverleitröhre ausreichend fest gestampft, damit man eine Dichte von mindestens ca. 6 g/cm im unterhalb dee unteren Endes der Röhre liegenden Brennstoff erzielt. Wenn die Pulverleitröhre vollständig ent-In this example, an apparatus as shown in Figs. 13-15 is used. The canister has an inner diameter of 9 mm and the powder guide tube has an inner diameter of 5 mm and a wall thickness of 1 mm. While the vibrating table is vibrated by an electrodynamic generator with an output of 0.4 kW, the inner zone of the can, which is enclosed by the powder duct, is gradually filled with free-flowing, sintered uranium oxide powder, which contains the following grain fractions: 60 % large grains from 1.7 to 1.4 mm; 25 % medium grain from 0.21 to 0.18 mm and 15 % fine grain with less than 40 microns. At the same time, while maintaining almost the same fill level as in the powder guide tube, the outer zone of the can, which is delimited by the powder guide tube and the canister, is filled with a mixture of sintered spherical particles of uranium oxide and plutonium oxide, which have a diameter of approx. Micron and are prepared with the help of a sol-gel precipitation, this mixture containing 70% uranium oxide and 30 % plutonium oxide. As the inner and outer zones fill, the powder guide tube is gradually withdrawn, the lower end of the tube constantly remaining below the material level in both zones. The can (envelope) and its contents are tamped sufficiently firmly as the powder tube is withdrawn to achieve a density of at least about 6 g / cm in the fuel below the lower end of the tube. When the powder tube is completely

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fernt ist, wird die Vibration danach noch 10 Minuten mit 2 kW fortgesetzt, damit ein Produkt mit einer endgültigen Dichte von 9t2 g/cm entsteht. Während des letzten Verdichtungsprozesses besitzen das Uranoxydpulver in der inneren Zone und das Uranoxyd/Plutonium-Gemisch in der zweiten Zone solch ausreichende Stabilität, daß ein Vermischen des Inhalts der beiden Zonen während der abschließenden Verdichtung vermieden wird.is removed, the vibration is then continued for another 10 minutes at 2 kW, so that a product with a final density of 9t2 g / cm is created. During the final compression process, the uranium oxide powder in the inner zone and the uranium oxide / plutonium mixture in the second zone have such sufficient stability that the contents of the two zones are prevented from mixing during the final compression.

- 15 - Patentansprüche- 15 - Claims

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Claims

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PATENT CLAIMS

1J Ceramic fuel element, characterized in that it consists of a container with fuel, the volume of which is divided into at least two
cylindrical fuel zones with independently predetermined composition is divided.

2. Ceramic fuel element according to claim 1, characterized in that the fuel zones
are arranged coaxially to one another.

3. Ceramic fuel element according to claim 1, characterized in that the outer fuel zone richer in fissile material than the inner one
Zone is.

4. Ceramic fuel element according to claim 1, characterized characterized in that it is made up of layered ones Tablets.

5 «A ceramic fuel element according to claim 1, characterized in that the fuel assembly from - is constructed like vxbrationsverdichteten grains.

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