DE2229715A1

DE2229715A1 - FUEL ELEMENT ARRANGEMENT AND NUCLEAR REACTOR INCLUDING THIS

Info

Publication number: DE2229715A1
Application number: DE2229715A
Authority: DE
Inventors: George Elliott Ashby; Moises Gali Sanchez; Leonard Vincent Triggiana
Original assignee: WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co
Priority date: 1971-06-21
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1973-02-22
Also published as: CA970083A; FR2143137A1; IT956710B; FR2143137B1; DE7222767U

Description

Brennstoffelementenanordnung
und diese enthaltender KernreaktorFuel assembly
and nuclear reactor containing them

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffelementenanordnung für einen Kernreaktor und auf einen eine derartige Anordnung enthaltenden Kernreaktor.The invention relates to a fuel element arrangement for a nuclear reactor and to such an arrangement containing nuclear reactor.

Bekannte Brennstoffelemente für Kernreaktoren lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen, nämlich ebene Plattenelemente und zylindrische Stabelemente.Known fuel elements for nuclear reactors can be divided into two main groups, namely flat plate elements and cylindrical rod members.

Eine Forderung für Plattenelemente besteht darin, daß der
Brennstoff metallurgisch mit dem Plattenmaterial verbunden
wird. Brennstoffelemente dieser Art werden üblicherweise
parallel zueinander angeordnet, und zur Bildung einer Brennstoffelementenanordnung werden zwei Platten zusammengelötet.A requirement for plate elements is that the
Fuel metallurgically bonded to the plate material
will. Fuel elements of this type are commonly used
arranged parallel to one another, and two plates are soldered together to form a fuel assembly.

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Bei der Herstellung dieser Brennelementenanordnung ergeben sich viele Schwierigkeiten, etwa Verformung der Brennstoffpüatten und des Plattenmaterials infolge hoher Löttemperaturen, Blasenwerfen der Brennstoffelemente während des Lötvorganges, Einlagerung von Giftstoffen im Bereich der Lötverbindungen und damit eine Verringerung der Anzahl von für die Spaltung zur Verfügung stehenden Neutronen sowie Austreten von korrodierenden Stoffen aus den Lötverbindungen, wenn die Anordnung dem Reaktorkühlmittel ausgesetzt wird.Many difficulties arise in the manufacture of this fuel assembly, such as deformation of the fuel plates and the plate material as a result of high soldering temperatures, blistering of the fuel elements during the soldering process, Deposition of toxins in the area of the soldered joints and thus a reduction in the number of times for splitting available neutrons as well as leakage of corrosive substances from the soldered connections if the arrangement exposed to the reactor coolant.

Zylindrische Stab-Brennstoffelemente enthalten keramisches Spaltmaterial, etwa Urandioxid, in Form von verdichteten zylindrischen Pellets, die innerhalb eines rohrförmigen Überzugsmaterials mit verschlossenen Enden aufeinandergestapelt, jedoch nicht fest miteinander verbunden sind. Geeignete Überzugsmaterialien haben einen geringen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen, wozu etwa Aluminium, Zirkon, Legierungen des Zirkons und rostfreier Stahl zählen.Cylindrical rod fuel elements contain ceramic fissile material, such as uranium dioxide, in the form of densified cylindrical pellets stacked within a closed-ended tubular coating material, but are not firmly connected to each other. Suitable coating materials have a low effective cross-section for thermal neutrons, including aluminum, zirconium, alloys of zirconium and stainless steel.

Zylindrische Brennstoffelemente dieser Art haben verschiedene Nachteile. So ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung von Zirkonröhren nennenswerter Länge und daher muß eine Vielzahl kurzer rohrförmiger Teile zusammengesetzt werden. Infolge schlechter Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem kerami-Cylindrical fuel elements of this type have several disadvantages. This gives rise to difficulties in manufacture of zirconium tubes of appreciable length and therefore a large number of short tubular parts must be put together. As a result poor heat transfer properties between the ceramic

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. ₃"-' 5229715. ₃ "- '5229715

sehen Material und dem Überzugsmaterial, das nicht mit dem Brennstoff verbunden ist, treten hohe Temperaturen im Mittelbereich, also im Bereich der Längsachse des Stabes auf. Die Wärmeübertragungsfläche zwischen Brennstoff und Umhüllungsmaterial ist begrenzt, und es werden für die stabförmigen keramischen Brennstoffelemente verhältnismäßig große Durchmesser benötigt. Der wesentlichste Nachteil dieser zylindrischen Stab-Brennstoffelemente besteht jedoch darin, daß bei Beschädigungen im Umhüllungsmaterial der Brennstoff und d,ie Spaltprodukte infolge Freigabe des Brennstoffes in das Reaktorkühlmittel gelangen, das sich üblicherweise auf einer hohen Temperatur und unter hohem Druck befindet und dadurch radioaktiv wird. Der Reaktor muß dann abgeschaltet werden.see material and the coating material that does not match the Fuel is connected, high temperatures occur in the central area, that is, in the area of the longitudinal axis of the rod. the The heat transfer area between the fuel and the cladding material is limited, and there are rod-shaped ceramic fuel elements required relatively large diameters. The main disadvantage of this cylindrical Rod fuel elements, however, consists in the fact that if the cladding material is damaged, the fuel and d, ie Fission products as a result of the fuel being released into the reactor coolant which is usually at a high temperature and under high pressure and is therefore radioactive will. The reactor must then be shut down.

Es wurden bereits viele Versuche unternommen, Kernbrennstoffelemente herzustellen, die diese Nachteile nicht aufweisen.Many attempts have been made to use nuclear fuel elements produce that do not have these disadvantages.

So beschreibt die US-Patentschrift 3 070 527 keramische Brennstoffelemente, die in einer ebenen, unterteilten Platte und unverbunden enthalten sind. Der in diesen Brennstoffelementen verwendete Brennstoff hat die Form von 1,27 cm breiten und 15,2^ cm langen Platten aus verdichtetem Pulver. Diese Platten sind durch Druck verdichtet und zu hoher Dichte gesintert (etwa 96 % der theoretischen Dichte).For example, US Pat. No. 3,070,527 describes ceramic fuel elements which are contained in a flat, divided plate and are unconnected. The fuel used in these fuel elements is in the form of 1.27 cm wide and 15.2 cm long plates of compacted powder. These plates are compressed by pressure and sintered to a high density (about 96 % of the theoretical density).

:-, (i ^cj e .j u ι ο 7 u k : -, (i ^c je .j u ι ο 7 uk

Durch Verwendung eines derartigen Aufbaus wurde versucht, die Menge des Brennstoffes und der daraus erzeugten Spaltprodukte, die bei Beschädigung der Umhüllung dem Kühlmittel ausgesetzt werden, zu verringern. Die von einer Platte erzeugte Menge an Brennstoff und Spaltprodukten kann jedoch eine erhebliche Verschmutzung des Kühlmittels hervorrufen.By using such a structure, an attempt was made to measure the amount of fuel and the fission products produced from it, which are exposed to the coolant if the casing is damaged. The one produced by a plate However, the amount of fuel and fission products can cause significant contamination of the coolant.

Die Verwendung von heterogenen Brennstoffen, bei denen Teilchen aus Spaltmaterial in einer brennstofffreien Matrix dispergiert sind oder von ihr umgeben sind, nimmt erheblich zu. Dabei ergibt sich ein Aufbau, bei dem Brennstoff enthaltende Teilchen als einzelne kleine Zellen aus Brennstoff vorhanden sind, die jeweils innerhalb der Matrix eingekapselt werden. Die sich ergebende Zusammensetzung ist bei Bestrahlung stabiler, als vergleichbare homogene Brennstoffe, da die Lebensdauer infolge Einschluß von Schäden durch Spaltprodukte erhöht wird.The use of heterogeneous fuels in which particles of fissile material are in a fuel-free matrix dispersed or surrounded by it increases significantly. This results in a structure in which the fuel contains Particles exist as individual small cells of fuel, each encapsulated within the matrix will. The resulting composition is more stable when irradiated than comparable homogeneous fuels, since the Lifetime due to inclusion of damage from fission products is increased.

Die bisherige Herstellung von Dispersionsbrennstoffen umfaßte die Vermischung der beschichteten Teilchen mit einer pulverförmigen Vorstufe des Matrixmaterials, wodurch man eine ungleichförmige Verteilung von kugelförmigem Brennstoff im Matrixmaterial erhielt. Diese Ungleichförmigkeit ist ein erheblicher Nachteil und insbesondere dann deutlich, wenn die kugelförmigen Brennstoffteilchen und das Pulver der Matrix-The previous production of dispersion fuels involved mixing the coated particles with a powdery one Precursor of the matrix material, which results in a non-uniform distribution of spherical fuel in the Matrix material received. This non-uniformity is a significant disadvantage and is particularly evident when the spherical fuel particles and the powder of the matrix

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Vorstufe erheblich unterschiedliche Teilchengrößen und -formen aufweisen. Ferner ergibt sich durch die Ungleichförmigkeit eine erhebliche Schwierigkeit, wenn der Brennstoff mit weiteren Bestandteilen, etwa spaltbaren Giftstoffen, beschichteten Borkarbidteilchen o.a. vermischt werden soll. Selbst unter den besten Mischbedingungen ist zwangsläufig eine gewisse Ungleichförmigkeit der Teilchenverteilung gegeben, da die großen Unterschiede in der Größe der kugelförmigen Brennstoffe von der klassischen Keramikbearbeitungstechnik herrührt.Precursors have significantly different particle sizes and shapes. Also results from the non-uniformity a considerable difficulty when the fuel is coated with other constituents, such as fissile toxins Boron carbide particles o.a. should be mixed. Even under the best mixing conditions there is inevitably some non-uniformity given the particle distribution, as the large differences in the size of the spherical fuels from the classic ceramic processing technology.

Bei dem Mischvorgang kommen gelegentlich Brennstoffteilchen in Berührung miteinander, wodurch die Teilchenbeschichtung zerstört wird und Brennstoff in die Vorstufe des Matrixmaterials gelangt. Dadurch entstehen dann Brennstoffelemente sehr geringer Qualität. Der freigegebene Brennstoff verunreinigt die Matrix im fertigen Brennstoffelement und führt zur Bildung von heißen Punkten und damit zur Beschädigung des Matrixmaterials und der Freigabe von Spaltprodukten. Häufig werden derartige Beschädigungen erst entdeckt, wenn die Brennstoffelementenanordnung bereits in den Reaktor eingebracht ist. Schäden an Brennstoffelementen während des Reaktorbetriebes führen zur Verschmutzung des Kühlmittels, der Reaktorumgebung und schließlich zur Abschaltung des Reaktors.During the mixing process, fuel particles occasionally come into contact with one another, thereby forming the coating of the particles is destroyed and fuel gets into the preliminary stage of the matrix material. This then results in very fewer fuel elements Quality. The released fuel contaminates the matrix in the finished fuel element and leads to the formation of hot ones Points and thus damage to the matrix material and the release of fission products. Such damage is common only discovered when the fuel element assembly has already been introduced into the reactor. damage on Fuel elements during reactor operation lead to contamination of the coolant, the reactor environment and ultimately to shut down the reactor.

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-D--D-

Während des Mischvorganges und dem nachfolgenden Pressen und Verdichten ergeben sich durch die geometrische Ungleichförmigkeit der Teilchenverteilung und der Teilchengröße und -form häufig starke Berührungen von kugelförmigen Teilchen, wodurch die beschichteten Teilchen so abgeflacht und verformt werden, daß sich Risse und Mikrobrüche in den Brennstoffelementen ergeben. Dadurch entstehen im Reaktor heiße Punkte und außerdem Brüche im Element, die eine Verschmutzung der Brennstoffelementenmatrix und der Umgebung mit Spaltprodukten zur Folge haben.During the mixing process and the subsequent pressing and Compaction results from the geometric non-uniformity of the particle distribution and the particle size and shape frequent strong contact with spherical particles, whereby the coated particles are flattened and deformed, that cracks and micro-fractures arise in the fuel elements. This creates hot spots in the reactor and also Fractures in the element, which result in contamination of the fuel element matrix and the surrounding area with fission products to have.

Bekannte Brennstoffelemente wurden durch willkürliches Mischen von Mikrokugeln in Metallpulver hergestellt. Die Mikrokugeln enthaltenden Pulver werden dann gepreßt und gewalzt, um eine Platte zu bilden. Der Brennstoffgehalt dieser Platten ist auf 15 VoIo^ und weniger begrenzt und beträgt häufig nur 10 bis 12 Vol. JK = Bei einer höheren Füllung kommen viele Mikrokugeln in Berührung miteinander, wodurch sich Brüche während des Walzvorganges ergeben. Diese Brüche führen zu einer Verbindungsporosität, die den Korrosionswiderstand, die Wärmeübertragungseigensehaften und den sicheren Betrieb der Brennstoffplatte beeinträchtigt«Known fuel elements have been made by randomly mixing microspheres in metal powder. The microspheres containing powders are then pressed and rolled to form a plate. The fuel content of these plates is on 15 VoIo ^ and less and is often only 10 to 12 Vol. JK = If the filling is higher, there will be many microspheres in contact with each other, resulting in fractures during the rolling process. These fractures lead to joint porosity, which increases corrosion resistance and heat transfer properties and impair the safe operation of the fuel plate «

Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Brennstoffelementenanordnung für einen Kernreaktor, die sich auszeichnet durchIn contrast, the invention relates to a fuel element arrangement for a nuclear reactor that is characterized by

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eine parallele Reihe von ebenen, sich in Längsrichtung erstreckenden Brennstoffelementen mit einer Zellen, vorzugsweise in Reihenanordnung, enthaltenden Füllstoffplatte, wobei die Zellen einen Durchmesser von 10 bis 3000 Mikron haben und Kernbrennstoffmaterial enthalten, das mittels Überzugsplatten befestigt ist, so daß der Kernbrennstoff vollständig eingeschlossen ist, durch im Abstand voneinander angeordnete, die Brennstoffelemente voneinander trennende Kühlmittelkanäle und durch die Brennstoffelemente an gegenüberliegenden Enden verbindende Seitenplatten.a parallel series of flat, longitudinally extending Fuel elements with a cell, preferably in series, containing filler plate, wherein the Cells are 10 to 3000 microns in diameter and contain nuclear fuel material that is covered by cladding plates attached so that the nuclear fuel is completely enclosed by spaced apart, coolant channels separating the fuel elements from one another and through the fuel elements at opposite ends connecting side plates.

Die Zellenstruktur aufweisenden Platten werden im folgenden als "Brennstoffplatten" bezeichnet. Das Brennstoffelement enthält eine oder eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Brennstoffplatten und ist am oberen Teil und am Boden von Überzugsplatten umschlossen'. Die Anzahl der Platten ist offensichtlich unbegrenzt. Obwohl im allgemeinen nur eine Brennstoff platte verwendet wird, ist es nicht ungewöhnlich, bis zu 10 oder mehr Platten innerhalb jedes Elementes zu verwenden.The panels having the cell structure are described below referred to as "fuel plates". The fuel element contains one or a plurality of stacked fuel plates and is at the top and bottom of Cover plates enclosed '. The number of plates is obviously unlimited. Although generally just a fuel plate is used, it is not uncommon to see up to use 10 or more panels within each element.

Zwischen den Zellen sollte eine vernünftige Menge Matrixmetall liegen, um die Elemente gegen die störende Wirkung von Spaltbruchteilen zu schützen.A reasonable amount of matrix metal should lie between the cells in order to protect the elements against the disturbing effects of To protect split fractions.

3 Q 9 Π U 8 / 0 7 4 43 Q 9 Π U 8/0 7 4 4

Die Verwendung von kugelförmigen Teilchen anstelle üblicher ungleichmäßig geformter Teilchen und anstelle von Platten aus verdichtetem Pulver wird bei der Herstellung von Brennstoffelementen aus einer Anzahl von Gründen bevorzugt. Kugelförmige Teilchen neigen bei den Herstellungsvorgängen weniger zum Brechen, da eine Kugel zwangsläufig eine strukturelle Stabilität aufweist. Kugelförmige Brennstoffteilchen bleiben innerhalb einer Matrix diskrete Teilchen, wodurch der sie umgebende Bereich der Strahlungsschädigung verringert wird.. Ein kugelförmiges Teilchen hat außerdem eine minimale Oberfläche, was wiederum die Korrosion und die Reaktion des Brennstoffes und der Matrix auf ein Minimum herabsenkt. Darüber hinaus bieten kugelförmige Brennstoffteile bei Verdichtung eine höhere Dichte und eine geringere Rißbildung der Brennstoffelemente während der Herstellung.The use of spherical particles instead of the usual irregularly shaped particles and instead of plates densified powder is preferred in the manufacture of fuel elements for a number of reasons. Spherical Particles are less prone to breakage in the manufacturing process because a ball is necessarily a structural one Has stability. Spherical fuel particles remain discrete particles within a matrix, reducing the area of radiation damage surrounding them .. A spherical particle also has a minimal surface area, which in turn causes corrosion and reaction of the fuel and lowers the matrix to a minimum. In addition, spherical fuel parts provide when compressed higher density and less cracking of the fuel elements during manufacture.

Mikrokugeln, wie sie in der US-Patentschrift 3 331 785 beschrieben sind, haben einzigartige physikalische und chemische, Eigenschaften, die sie besonders zur Verwendung in der Brennstoffelementenanordnung gemäß der Erfindung geeignet machen. "Mikrokugeln" wurden bereits auf andere Weisen hergestellt, haben jedoch im allgemeinen nicht die chemischen und physikalischen Eigenschaften, wie sie für die Herstellung von Füllstoffplatten zur Verwendung in der Erfindung erforderlich sind.Microspheres as described in U.S. Patent 3,331,785 have unique physical and chemical properties that make them particularly suitable for use in the fuel element assembly make suitable according to the invention. "Microspheres" have already been made in other ways, however, generally do not have the chemical and physical properties required for the manufacture of filler boards are required for use in the invention.

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Beispielsweise lassen sie sich mit sehr geringen Größenschwankungen herstellen und dadurch genau an die Zellen anpassen. Daher können Zellen gleichmäßiger Größe und Form hergestellt werden, in die die Kugeln gerade hineinpassen, was zu einer wirtschaftlichen und gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes in jeder Platte führt. Dies ist nicht möglich, wenn die Teilchen ungleichmäßige Kugelform haben und in der Größe stark schwanken.For example, they can be made with very small fluctuations in size and thereby adapt precisely to the cells. Hence, cells can be of uniform size and shape in which the balls just fit, resulting in an economical and even distribution of the fuel in each plate. This is not possible if the particles are unevenly spherical and in the Size fluctuate greatly.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Zellen in einer regelmäßigen Anordnung verteilt, in der sie Stellungen in einer von 17 Ebenengruppen einnehmen (vergleiche International Tables for X-Ray Crystallography, Seiten 58-72).In one embodiment of the invention, the cells are distributed in a regular arrangement in which they have positions take in one of 17 plane groups (see International Tables for X-Ray Crystallography, pages 58-72).

In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Zellen in einer ungleichmäßigen, vorbestimmten Anordnung verteilt, in der sich der Abstand zwischen den Zellen von Stelle zu Stelle in der Brennstoffplatte ändert.In a second embodiment, the cells are distributed in a non-uniform, predetermined arrangement in which the distance between the cells changes from place to place in the fuel plate.

Gleichmäßige Kugeln lassen sich leichter beschichten als anders geformte Teilchen. Die Beschichtungen bei diesen Teilchen sind gleichförmig und haben ein sehr gutes Pesthaltevermögen für Spaltprodukte. Da die Oberflächentextur glatt ist, sind die überzüge fest und neigen nicht zur Schwächung währendUniform spheres are easier to coat than other shaped particles. The coatings on these particles are uniform and have a very good pest holding capacity for fission products. Since the surface texture is smooth, the coatings are firm and do not tend to weaken during

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der.Herstellung oder während der Benutzung in einem Reaktor. Geeignete überzüge enthalten beispielsweise Niobium, Nickel, Aluminium, pyrolytische Graphite und ähnliche Stoffe.der.Manufacture or during use in a reactor. Suitable coatings contain, for example, niobium, nickel, aluminum, pyrolytic graphite and similar substances.

Eine wesentliche Schwierigkeit bei einigen bekannten Mikrokugeln, die eine schlechte Kugelförmigkeit und eine ungleichmäßige Oberfläche haben, ergibt sich aus der Wanderung von Uran durch den überzug an Stellen der Oberflächenungleichmäßigkeit .A major problem with some known microspheres is that they have poor sphericity and irregularity Surface area results from the migration of uranium through the coating at points of surface unevenness .

Bei dem klassischen Verfahren zur- Kugelbildung werden hohe Temperaturen benötigt, um ungleichmäßig geformte Teilchen in Kugelform überzuführen und um eine Gleichförmigkeit der Verbindung oder Mischkristallbildung in einem binären oder Mehrkomponentensystem zu erreichen. Derartige hohe Temperaturen vertragen sich nicht mit einer geringen Dichte (40 % bis 80 % der theoretischen Dichte). In dem in der US-Patentschrift 3 331 785 beschriebenen Verfahren wird die feste Lösung bzw. Mischkristallbildung und Kugelbildung in einem Material erreicht, das bei Temperaturen bis zu 8O⁰C oder sogar 100⁰C behandelt wurde.In the classical process for spherical formation, high temperatures are required in order to convert irregularly shaped particles into spherical form and in order to achieve uniformity of the compound or mixed crystal formation in a binary or multicomponent system. Such high temperatures are not compatible with a low density (40 % to 80 % of the theoretical density). In the process described in US patent 3,331,785 method, the solid solution or mixed crystal formation and ball formation is achieved in a material that has been treated at temperatures up to 8O ⁰ C, or even 100 ⁰ C.

Diese Mikrokugeln können in unterschiedlichsten gewählten Größen₃ normalerweise von 50 bis 3OOO Mikron, mit geringen Größenschwan-These microspheres can be selected in a wide variety of sizes _3, usually from 50 to 3OOO microns, with small fluctuations in size.

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kungen innerhalb dieses Bereiches hergestellt werden. Die Dichten können zwischen ¹JO % und mehr als 90 % der theoretischen Dichte eingestellt werden. Sie können so hergestellt werden, daß sie andere Materialien, etwa Zirkon, enthalten, um beispielsweise die physikalischen Eigenschaften des aktinischen Oxidbrennstoffes zu verbessern. Verschiedene Kerngiftstoffe, Neutronengiftstoffe oder Neutronenmoderatoren können gegebenenfalls in die Mikrokugeln eingeformt werdendkings can be made within this range. The densities can be set between ¹ JO % and more than 90 % of the theoretical density. They can be made to contain other materials such as zircon, for example, to improve the physical properties of the actinic oxide fuel. Various nuclear toxins, neutron toxins, or neutron moderators can optionally be molded into the microspheres

In der erfindungsgemäßen Anordnung des Brennstoffes ist dieser gegenüber dem Reaktorkühlmittel und daher vor zerstörenden chemischen Reaktionen geschützt. Die Abgabe von Spaltprodukten in das Kühlmittel wird auf ein Minimum herabgesetzt. Der Brennstoff ist gegenüber nennenswerter Diffusion oder Wanderung bei hohen Betriebstemperaturen geschützt. Das Anschwellen der Brennstoffteilchen während der Ansammlung von Spaltprodukten ist berücksichtigt. Die Beschädigung durch Rückstoß von Spaltprodukten wird auf einen kleinen Bereich beschränkt. Außerdem läßt sich ein größerer Volumenanteil an Brennstoff erreichen als bisher möglich. Die Matrix wird aus einem korrosionsbeständigen Material mit einem geringen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen hergestellt und enthält Stoffe der Gruppe Aluminium, Aluminiumlegierungen, rostfreier Stahl und verschiedene Zirkonlegierungen, etwa Zirkaloy, Zirkon, Graphit, Beryllium und Aluminium.In the arrangement of the fuel according to the invention, this is opposite the reactor coolant and therefore before destructive chemical reactions protected. The release of fission products into the coolant is reduced to a minimum. The fuel is protected against significant diffusion or migration at high operating temperatures. The swelling of the Fuel particles during the accumulation of fission products are taken into account. Damage from recoil of fission products is restricted to a small area. In addition, a larger volume fraction of fuel can be achieved than previously possible. The matrix is made of a corrosion-resistant material with a small effective cross-section for thermal neutrons and contains substances of the group aluminum, aluminum alloys, stainless steel and various Zirconium alloys, such as zirconium, zircon, graphite, beryllium and aluminum.

3 0 9 L< u 3 / 0 7 A A3 0 9 L <u 3/0 7 A A

Die Anordnung kann die Form einer Reihe von übereinander gestapelter Platten oder konzentrischer Zylinder haben, zwischen denen sich Kanäle befinden, durch die ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel strömen kann.The arrangement can take the form of a number of one on top of the other stacked plates or concentric cylinders, between which there are channels through which a gaseous or liquid coolant can flow.

Der Brennstoff kann ein Brutmaterial, Spaltmaterial oder eine Mischung aus Brut- und Spaltmaterial sein.The fuel can be breeding material, fissile material, or a mixture of breeding and fissile material.

Die beschichteten im Brennstoffelement dispergierten kugelförmigen Teilchen können auch mit großem Vorteil in einem sogenannten Brutreaktor benutzt werden, bei dem es das Ziel ist, aus natürlichem Uran oder Thorium eine maximale Ausgangsleistung zu erzielen. Der Brutmantel aus Brutkernbrennstoff, beispielsweise natürlichem Uran oder anderen U-238-Quellen oder Thorium, fängt einen großen Teil der überschüssigen Neutronen ab, die nicht für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion erforderlich sind. Der Mantel brütet durch die Erzeugung von Pu-239 oder U-233 Brutmaterial. Auf diese Weise läßt sich ein minimaler Einsatz und Aufwand an U-235 oder Thorium erzielen. Das erzeugte Plutonium zerfällt in situ im Kern und man erhält für eine gegebene Ausgangsleistung eine minimale Kerngröße. Da die Lebensdauer des Kerns erhöht wird, ergibt sich ein allmähliches Ansteigen des Leistungsverhältnisses von Brutmantel zu Spaltstoffzone. Ein Vorteil einerThe coated spherical ones dispersed in the fuel element Particles can also be used to great advantage in what is known as a breeder reactor, where it is the target is to get maximum output power from natural uranium or thorium. The brood mantle of brood nuclear fuel for example natural uranium or other U-238 sources or thorium, catches a large part of the excess From neutrons that are not necessary for the chain reaction to run. The mantle breeds through generation of Pu-239 or U-233 breeding material. In this way, a minimum of effort and expense on U-235 or Achieve thorium. The generated plutonium decays in situ in the core and one obtains for a given output power one minimum core size. As the life of the core is increased, there is a gradual increase in the power ratio from brood mantle to fissile material zone. An advantage of one

3 0 y b f) 8 / 0 7 h 43 0 ybf) 8/0 7 h 4

derartigen Spaltstoffzonen/Brutmantel-Anordnung besteht in der Vermeidung von Leistungsspitzen im Zentrum des gleichförmig aufgebauten Kerns.Such fissile material zones / brood mantle arrangement consists in avoiding power peaks in the center of the uniform built core.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffelementenanordnung läßt sich so aufbauen, daß die jeweiligen Spaltstoffzonen/Brutmantel-Bestandteile entweder gleichmäßig verteilt in der gleichen Brennstoffplatte oder innerhalb verschiedener Brennstoffplatten liegen oder in gewünschter Kombination auftreten. NachdenLjäer Brennstoff einige Zeit im Reaktor war, kann er aus diesem entfernt und wieder bearbeitet werden. Der nach der Wiederbearbeitung verbleibende Brennstoff läßt sich zur Herstellung weiterer Brennstoffelemente benutzen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich die Kosten der Wiederbearbeitung erheblich verringern, da der Brennstoff leicht von der Matrix zu trennen ist. Dies ist ein wichtiger Anreiz für die Haltbarmachung von Kernbrennstoffen.A fuel element arrangement according to the invention can be constructed in such a way that the respective fission material zones / brood casing components either evenly distributed in the same fuel plate or within different fuel plates lie or occur in the desired combination. NachdenLjaer Fuel has been in the reactor for some time, it can be removed from it and processed again. The one after the rework Any remaining fuel can be used to manufacture additional fuel elements. In the inventive Arrangement can significantly reduce the cost of reprocessing because the fuel is easily removed from the matrix is to be separated. This is an important incentive for the preservation of nuclear fuel.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei die Figuren 1 bis 3 eine Anordnung von Mikrokugeln innerhalb von Brennstoffplatten und Figuren 4"bis 6 eine Anordnung von Brennstoffplatten in der Brennstoffelementenanordnung zeigen.The invention is explained in more detail below with reference to the figures, Figures 1 to 3 show an arrangement of microspheres within fuel plates and Figures 4 ″ to 6 show an arrangement Show arrangement of fuel plates in the fuel element assembly.

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In Pig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffplatte in Form einer einzelnen Folie nach der Verdichtung dargestellt. Man erkennt die Mikrokugeln 1 in der Platte 2 und den jedes einzelne Teilchen umgebenden freien Raum. Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1. Die Mikrokugel 1 befindet sich in einer Zelle, so daß ein leerer Raum zur Aufnahme von Gasen und anderen Spaltprodukten vorhanden ist und die Mikrokugel 1 sich ausdehnen kann. Die Lage der einzelnen Mikrokugel in der Folie 2 ergibt sich aus dieser Darstellung. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer fertigen Brennstoffplatte gezeigt, die obere und untere Folien aufweist. Die Anordnung der Mikrokugeln 1 bezüglich der nichtperforierten Abschnitte der Brennstoffplatte 2 ist in dieser Figur zu erkennen.In Pig. 1 is a top plan view of a fuel plate in the form of a single foil after compaction. The microspheres 1 in the plate 2 and the free space surrounding each individual particle can be seen. Fig. 2 shows one Section along the line 2-2 of Fig. 1. The microsphere 1 is in a cell, so that there is an empty space for receiving of gases and other fission products is present and the microsphere 1 can expand. The location of each Microsphere in the film 2 results from this representation. In Fig. 3 is a section through an embodiment of a finished fuel plate is shown, which has upper and lower foils. The arrangement of the microspheres 1 with respect to the non-perforated Sections of the fuel plate 2 can be seen in this figure.

Die einzelnen, die Brennstoffplatte bildenden Folien sind miteinander verbunden bzw. verklebt. Da es im allgemeinen erwünscht ist, Luft aus dem nicht von den Teilchen eingenommenen Raum in den Zellen und auch aus dem Brennstoff selbst fernzuhalten, erfolgte diese Verbindung zweckmäßigerweise im Vakuum oder in Anwesenheit eines inerten Gases, etwa Stickstoff, Helium, Argon usw. Hierzu können unterschiedliche Verfahren angewendet werden, beispielsweise Verkleben, Verschweißen, Verpressen, Walzen, Vakuumverkleben, Löten usw.The individual foils forming the fuel plate are connected or glued to one another. As it is generally desired is to keep air out of the space not occupied by the particles in the cells and also out of the fuel itself, this connection was expediently carried out in vacuo or in the presence of an inert gas, such as nitrogen, Helium, argon, etc. Different methods can be used for this, for example gluing, welding, Pressing, rolling, vacuum gluing, soldering, etc.

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Wo die Kugel maximale Dichte hat und in jeder der Zellen leerer Raum verbleiben soll, um die Spaltprodukte zu sammeln und eine Ausdehnung der einzelnen Mikrokugeln zu ermöglichen, werden die Folien zusammengefügt und durch Pressen, Schweißen oder auf andere Weise verbunden, so daß ein Teil oder der gesamte leere Raum in den Zellen erhalten bleibt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Zellenvolumen zu Brennstoffvolumen innerhalb der Zelle etwa 1:1 bis 2:1.Where the sphere has maximum density and empty space should remain in each of the cells to collect the fission products and to allow expansion of the individual microspheres, the foils are joined together and by pressing, welding or otherwise connected so that some or all of the empty space is retained in the cells. Preferably the ratio of cell volume to fuel volume within the cell is approximately 1: 1 to 2: 1.

Die erfindungsgemäße Brennstoffelementenanordnung ergibt eine Anzahl von Vorteilen. So bildet sie eine zweckmäßige Möglichkeit zur Dispersion von Nicht-UO^-Stoffen im U0₂-Brennstoffbereich (Uranbrennstoffe haben zweckmäßigerweise die Form von Oxiden). Stoffe, die mit UOp in verschiedenen Reaktoren gemischt werden können, sind unter anderem:The fuel element assembly of the present invention provides a number of advantages. So it forms an expedient way to disperse non-UO ^ substances in the U0 ₂ fuel range (uranium fuels are expediently in the form of oxides). Substances that can be mixed with UOp in different reactors include:

(a) andere Brennstoffe, etwa PuO„ oder(a) other fuels, such as PuO "or

(b) spaltbare Giftstoffe, etwa Gadolinium, beispielsweise GdpO.- oder Samarium- und Borverbindungen, beispielsweise B₁₁C;(b) fissile toxins, such as gadolinium, for example GdpO.- or samarium and boron compounds, for example B ₁₁ C;

(c) UO„-Teilchen mit sich von dem Grundbrennstoff unterscheidender Anreicherung von U-235·(c) RO "particles with different from the base fuel Enrichment of U-235

3 Ü U Ii U 8 / Ü 7 4 43 Ü U Ii U 8 / Ü 7 4 4

Die Nicht-UOp-Stoffe können in irgendeiner gewünschten Verteilung, einschließlich gleichförmiger Verteilung, diskreten Bereichen und allmählich sich ändernden Konzentrationen in den Brennstoffelementen dispergiert sein. Eine Umverteilung oder ein Verlust an Nicht-UO_?-Stoffen bei der Herstellung, wie etwa beim Sintern von Nicht-UO„-Stoffen enthaltenden Pellets von U0_?, werden durch die Erfindung vermieden. Die Umverteilung der Bestandteile während der Bestrahlung werden ebenfalls verringert oder ausgeschaltet, so daß physikalische Schäden am Brennstoffelement verhindert werden. Die Möglichkeit einer genauen Steuerung der Brennstoffzusammensetzung und der Verteilung ergibt die folgenden Vorteile:The non-UOps can be dispersed in the fuel elements in any desired distribution, including uniform distribution, discrete areas, and gradually changing concentrations. A redistribution or a loss of non-UO _? -Substances during production, such as the sintering of pellets of U0 containing non-UO "-substances _? are avoided by the invention. The redistribution of the constituents during the irradiation is also reduced or eliminated, so that physical damage to the fuel element is prevented. The ability to precisely control fuel composition and distribution provides the following advantages:

(a) Abflachung der Pulververteilung entlang der Längserstreckung einer Brennstoffelementenanordnung oder von Platte zu Platte in einer Brennstoffelementenanordnung. Dadurch wird die Kerngröße und die erforderliche Brennstoffmenge für eine gegebene Ausgangsleistung verringert. Eine Verringerung der Kerngröße (Erhöhung der Leistungsdichte) hat Vorteile, die über den Kern hinausgehen. Wesentlich ist, daß ein kleinerer Reaktorkessel benutzt werden kann, wodurch sich die Kesselkosten und die damit verbundenen Anlagekosten verringern. So führt beispielsweise ein kleinerer Reaktorkessel zu einer Verringerung der erforderlichen Kühlmitlel-(a) Flattening of the powder distribution along the length of a fuel assembly or from plate to plate in a fuel element assembly. This will determine the core size and the amount of fuel required for a given output power is reduced. Reducing the core size (increasing the power density) has advantages, that go beyond the core. It is essential that a smaller reactor vessel can be used, which means reduce boiler costs and the associated plant costs. For example, a smaller reactor boiler leads to a reduction in the required coolant

3 ü 9 B 0 8 / 0 7 A k 3 ü 9 B 0 8/0 7 A k

menge. Dies senkt wiederum die Größe und/oder den Nenndruck des Vorratsbehälters für das Kühlmittel und damit die Gesamtkosten.lot. This in turn reduces the size and / or the nominal pressure of the reservoir for the coolant and thus the total cost.

(b) Eine genaue Steuerung der Reaktivität durch spaltbare Giftstoffe mit einem minimalen Giftstoffrest am Ende der Lebensdauer. Dadurch wird die Lebensdauer des Kerns erhöht und die Anforderungen an die Steuerstäbe verringert. Beide Verbesserungen bilden wirtschaftliche Vorteile...Eine Erhöhung der Kernlebensdauer verringert die Kosten pro Energieeinheit, da die Kosten der Brennstoffherstellung, des Transportes und der Wiederbearbeitung (die nicht von der Lebensdauer des Kerns beeinflußt werden) auf eine größere Gesamtenergieproduktion bezogen werden. Eine Verringerung der Anforderung an Steuerstäbe führt zu einer Einsparung, da eine geringere Anzahl von Steuerstäben und zugehöriger Antriebseinrichtungen benötigt wird.(b) Accurate control of reactivity by fissile toxins with minimal toxin residue at the end of the Lifespan. This increases the service life of the core and reduces the demands on the control rods. Both improvements constitute economic benefits ... Increasing the core life reduces the cost per Unit of energy, as the cost of fuel production, transportation and reprocessing (which are not covered by the lifespan of the core) can be related to a larger total energy production. One Reducing the requirement for control rods leads to a saving, since a smaller number of control rods and associated drive devices is required.

Ein zweiter wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie eine Möglichkeit zur Steuerung der Brennstoffdichteverteilung entweder in Längsrichtung in jeder Brennstoffplatte oder von Platte zu Platte ermöglicht. Entsprechende Änderungen in der Brennstoffdichte können zur Abflachung der Kernl'eistungsverteilung dienen, wodurch die Kernleistungsdichte und die spezifische Leistung erhöht und die Brennstoffanforderungen und die Kerngröße verringert werden.A second major advantage of the invention is that it provides a way of controlling the fuel density distribution allows either lengthways in each fuel plate or plate to plate. Corresponding changes in the fuel density can serve to flatten the core power distribution, whereby the core power density and the specific power is increased and fuel requirements and core size are reduced.

309808/0744309808/0744

Das Anschwellen der UO_?-Brennstoffe infolge der Bildung von Spaltprodukten innerhalb des U0„ und der gesteigerten Plastizität des UO₂ unter Strahlung wurde häufig festgestellt. Durch diese Erscheinung werden die Lebensdauer eines Brennstoffelementes unter Bestrahlung eingeschränkt und gewisse Konstruktionsbeschränkungen bei keramischen Brennstoffelementen hervorgerufen. The swelling of the UO _? Fuels as a result of the formation of fission products within the U0 "and the increased plasticity of the UO ₂ under radiation were often found. This phenomenon limits the service life of a fuel element under irradiation and causes certain design restrictions in the case of ceramic fuel elements.

Ein dritter wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Anpassung an die Ausdehnung einzelner UO^-Teilchen möglich ist, ohne daß eine Gesamtbeschädigung der Brennstoffplatten auftritt, indem man einen Aufbau wählt, bei dem für jedes einzelne Brennstoffteilchen Raum zur Ausdehnung vorhanden ist. Dieser Raum ergibt sich auf drei verschiedenen Wegen:A third major advantage of the invention is that it can be adapted to the expansion of individual UO ^ particles is possible without total damage to the fuel plates occurs by choosing a structure in which there is room for each individual fuel particle to expand is. This space arises in three different ways:

(a) als ein zentraler leerer Bereich innerhalb jedes Teilchens;(a) as a central void area within each particle;

(b) innerhalb jeder Zelle in der Matrixplatte, in die jedes Teilchen eingefügt wird. Wenn kugelförmige UOg-Teilchen in zylindrische Zellen eingebracht werden, deren Höhe und Durchmesser gleich dem Durchmesser des kugelförmigen Teilchens ist, so ergibt sich das Verhältnis von Zellenvolumen zu Teilchenvolumen zu(b) within each cell in the matrix plate into which each particle is inserted. When spherical UOg particles are introduced into cylindrical cells, the height and diameter of which are equal to the diameter of the spherical particle is, the ratio of cell volume to particle volume is given by

7TR²(2R) (wobei R der Radius ist), 7TR ² (2R) (where R is the radius),

beispielsweise 1,5:1.for example 1.5: 1.

309808/0144309808/0144

(c) .als verteilte Porosität innerhalb eines Teilchens mit einer Dichte von weniger als 100 %. (c). as a distributed porosity within a particle with a density of less than 100 %.

Die Aufnahme der Ausdehnung der Teilchen ohne nennenswerte Beschädigung der Brennstoffplatte stellt einen erheblichen Vorteil dar. Es ist eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes möglich, ohne daß die Gefahr der örtlichen Beschädigung von Kühlmitteldurchlässen besteht. Eine bessere Ausnutzung des' Brennstoffes führt zu einer größeren Lebensdauer des Kerns und hat dadurch wirtschaftliche Vorteile.The absorption of the expansion of the particles without significant damage to the fuel plate represents a significant Advantage. It is a better utilization of the fuel possible without the risk of local damage There is coolant passages. Better utilization of the fuel leads to a longer service life for the core and thus has economic advantages.

Die Freigabe von gasförmigen Spaltprodukten aus dem U0„-Brennstoff während der Bestrahlung ist ein wesentlicher zu berücksichtigender Punkt bei allen Reaktoren, wegen des möglichen Austretens derartiger radioaktiver Gase in das Reaktorkühlmittel und die Elemente des Kühlmittelsystems, wodurch sich die Wartungsarbeiten komplizieren, sowie wegen des möglichen Austretens dieser Gase in die Umgebung. Es hat sich gezeigt, daß sich der Austritt von derartigen Gasen mit der Erhöhung der UOp-Temperaturen und mit der Brennstoffausnutzung erhöht.The release of gaseous fission products from the U0 "fuel during irradiation is an essential point to consider in all reactors because of the possible Leakage of such radioactive gases into the reactor coolant and the elements of the coolant system, thereby reducing maintenance work complicate, as well as because of the possible leakage of these gases into the environment. It has been shown that The leakage of such gases increases with the increase in the ROp temperatures and with the utilization of fuel.

Ein vierter wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Verringerung des Austretens von gasförmigen Spaltprodukten. Die in den einzelnen UO_?-Teilchen und in denA fourth essential advantage of the invention consists in the possibility of reducing the escape of gaseous fission products. Which in each UO _? Particles and in the

3 (J Ίϋ !I ti /07 A U 3 (J Ίϋ! I ti / 07 A U

Zellen, die jeweils diese Teilchen enthalten, vorhandenen Leerräume dienen als Bereich zur Ansammlung von gasförmigen Spaltprodukten, die aus dem UOp austreten.Cells, each containing these particles, existing voids serve as an area for the accumulation of gaseous Fission products that emerge from the UOp.

Bei Brennstoffelementen, die in Hüllrohren enthaltene Pellets aufweisen, werden die gasförmigen Spaltprodukte von allen Teilen des Brennstoffstabes in einem einzigen, verbundenen Bereich gesammelt. Jegliche Beschädigung der Umhüllung des Rohres führt daher zur Freigabe aller gasförmigen Spaltprodukte, die im Brennstoffstab erzeugt wurden, selbst wenn die Beschädigung der Umhüllung nur an einer einzigen Stelle vorhanden ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die aus dem UOp-Teilchen austretenden gasförmigen Spaltprodukte in getrennten, einzelnen abgeschlossenen Bereichen gesammelt, örtliche Schäden an der Umhüllung oder der Platte führen nur zur Freigabe eines Teils der gesamten Menge an gasförmigen Spaltprodukten und zu dessen Abgabe in das Reaktorkühlmittel. Dadurch ergibt sich ein erhebliches Sicherheitsmoment.In the case of fuel elements that have pellets contained in cladding tubes, the gaseous fission products are all Parts of the fuel rod collected in a single, connected area. Any damage to the envelope of the Rohres therefore leads to the release of all gaseous fission products that were generated in the fuel rod, even if the damage the envelope is only present at a single point. In the arrangement according to the invention, the UOp particles are formed escaping gaseous fission products collected in separate, individual closed areas, local damage on the casing or the plate only lead to the release of part of the total amount of gaseous fission products and for its delivery into the reactor coolant. This results in a considerable safety factor.

Ein fünfter wichtiger Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit zur Verringerung der Betriebstemperatur der Brennstoffphase durch \ferwendung einer Metallmatrix mit höherer Wärmeleitfähigkeit als UOp. Bei einer gegebenen Wärmeerzeugungsrate und einer gegebenen Reaktorkühlmitteltemperatur arbeitenA fifth important advantage of the invention is the ability to reduce the operating temperature of the fuel phase by using a metal matrix with a higher thermal conductivity than UOp. At a given rate of heat generation and a given reactor coolant temperature

U=IO/ 0 7 AU = IO / 0 7 A

_ ₂₁ _ 2223715_ ₂₁ _ 2223715

die UOp-Teilchen auf einer geringeren Temperatur als die UOp-Masse in einem Brennstoffelement mit Pellets in einem Hüllrohr, bei dem entlang der Längsachse Temperaturen auftreten, die sich häufig dem Schmelzpunkt des UO _? nähern.the UOp particles at a lower temperature than the UOp mass in a fuel element with pellets in a cladding tube, at which temperatures occur along the longitudinal axis which are often the melting point of the UO _? approach.

In einem Leistungsreaktor mit schnellen Neutronen (beispielsweise einem schnellen Brüter) ist es erwünscht, so viel wie möglich eingebaute schnellwirkende Mechanismen zu haben, um die Reaktion aus Sicherheitsgründen zu verlangsamen. Ein .derartiger Mechanismus ergibt sich durch die Brennstoffdichte. Die Wärmeausdehnung des Brennstoffes erhöht sich mit der Leistung. Somit führt eine Beschleunigung der Leistung zu einer verringerten Brennstoffdichte und damit zu einer Verringerung der Reaktivität in einem richtig aufgebauten Kern.In a fast neutron power reactor (e.g. a fast breeder) it is desirable to have as much as possible to have built-in fast acting mechanisms to slow down the reaction for safety reasons. Such a mechanism results from the fuel density. The thermal expansion of the fuel increases with the power. Thus, an acceleration of the performance leads to a decreased fuel density and thus a decrease in reactivity in a properly constructed core.

Ein sechster wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der negative Brennstoffausdehnungskoeffizient der Reaktivität gesteigert werden kann, falls die UOp-Kugeln in metallische Platten eingelagert sind, die größere Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, als die üblicherweise verwendeten keramischen UOp-PuOp- und UC-PuC-Brennstoffe. Der Kernaufbau kann so angepaßt werden, daß die Steigerung des Brennstoffausdehnungskoeffizienten der Reaktivität ausgenutzt wird.A sixth essential advantage of the invention is that the negative fuel expansion coefficient of reactivity can be increased if the UOp balls in metallic Plates are embedded, which have greater coefficients of thermal expansion than the commonly used ceramic UOp-PuOp and UC-PuC fuels. The core structure can be adapted so that the increase in the fuel expansion coefficient of the reactivity is exploited.

309808/0744309808/0744

Eine weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung und deren Verwendung in Kernreaktoren ergibt sich aus den folgenden Beispielen für mögliche Reaktoraufbauten in Zusammenhang mit den Figuren k_s 5 und 6.A further detailed description of the invention and their use in nuclear reactors results from the following examples of possible reactor designs in connection with FIGS k _s 5 and 6. FIG.

example 1 Core of a boiling water reactor

Eine bekannte Standard-Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor besteht aus 49 mit einer Zirkonlegierung umhüllten, UOp-Pellets in einem Hüllrohr enthaltenden Brennstoffstäben in einer Anordnung, von 7x7· Die Gesamtlänge der Anordnung beträgt 3,7 m.A well known standard fuel assembly for a boiling water reactor consists of 49 fuel rods coated with a zirconium alloy and containing UOp pellets in a cladding tube in an arrangement of 7x7 · The total length of the arrangement is 3.7 m.

Figur H zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Brennstoffelementenanordnung in einem Auswechselkern für einen Siedewasserreaktor mit einer Leistungsrate von 2.^36 MW.FIG. H shows the use of a fuel element arrangement according to the invention in an interchangeable core for a boiling water reactor with an output rate of 2. ^ 36 MW.

Die Anordnung ist aus ebenen Platten aufgebaut, die in einer geordneten Verteilung UOp-Brennstoffteilchen enthalten und deren Querschnittsabmessungen gleich denen der Standardanordnung sind. Die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Anordnung ist entweder gleich der der bekannten Anordnung, oder sie ist aus verschiedenen kürzeren Anordnungen zusammengesetzt, die dann mechanisch miteinander verbunden sind. Die erfindungsge-The arrangement is made up of flat plates, which are in a ordered distribution of UOp fuel particles and whose cross-sectional dimensions are the same as those of the standard arrangement. The total length of the arrangement according to the invention is either the same as that of the known arrangement, or it is composed of various shorter arrangements, the are then mechanically connected to each other. The inventive

309808/0744309808/0744

mäße Anordnung ist aus zwei Gründen einfacher als die Standardanordnung. Zunächst werden wegen der Starrheit der ebenen Platten keine Zwischenstücke benötigt, die bei der Standardanordnung die langen, dünnen Brennstoffstäbe stützen. Zur Steigerung der Starrheit und Steife der Platten können diese eine leichte Wölbung erhalten. Darüber hinaus werden wegen der Starrheit keine Gitterplatten am oberen und unteren Ende der Anordnung benötigt.The standard arrangement is simpler than the standard arrangement for two reasons. First of all, because of the rigidity of the flat plates, no spacers are required, as is the case with the standard arrangement support the long, thin fuel rods. To increase the rigidity and stiffness of the panels, this one slight bulge preserved. In addition, because of the rigidity, there are no grid plates at the top and bottom of the Arrangement required.

Die Anordnung gemäß der Erfindung hat ausreichende Wärmeübertragungsbereiche und Kühlmittelströmungsbereiche. Aus Figur 4 ergibt sich, daß etwa die gleiche Wärmeübertragung und der gleiche Kühlmittelfluß vorhanden sind, wie bei der Standardanordnung. Die Anordnung gemäß Fig. 4 hat eine Länge L und eine Breite K von 13»8 cm. Die Brennstoffelemente 22 sind jeweils durch Kühlmittelkanäle 23 voneinander getrennt. Die Stärke N der Brennstoffplatte ist 6,2 mm und die Breite M des Kühlmittelkanals 7,8 mm. Wegen der Leistung ist eine geringere Abflachung des Oberflächenbereiches zur Wärmeübertragung erforderlich als bei der Standardanordnung. Die gleichmäßigere Leistungsverteilung innerhalb des Kerns bei der erfindungsgemäßen Anordnung verringert die erforderliche Gesamtkühlmittelströmungsrate. The arrangement according to the invention has sufficient heat transfer areas and coolant flow areas. From Figure 4 it follows that approximately the same heat transfer and the the same coolant flow is present as in the standard arrangement. The arrangement according to FIG. 4 has a length L and a width K of 13 »8 cm. The fuel elements 22 are each separated from one another by coolant channels 23. The thickness N of the fuel plate is 6.2 mm and the width M of the Coolant duct 7.8 mm. Because of the power, less flattening of the surface area is required for heat transfer than the standard arrangement. The more even power distribution within the core in the case of the invention Arrangement reduces the total coolant flow rate required.

3 0 9 Ü 'J <', I 0 73 0 9 Ü 'J <', I 0 7

Der Gesamtgehalt an U-235 in einer Standardanordnung beträgt 3,9 kg. Wie Tabelle 1 zeigt, ist in der Anordnung gemäß der Erfindung bei vernünftigen Werten der theoretischen Dichte der Teilchen, der U-235-Anreicherung und des Volumenanteils von UOp in der Matrix wesentlich mehr Spaltmaterial vorhanden,The total content of U-235 in a standard arrangement is 3.9 kg. As Table 1 shows, in the arrangement according to FIG Invention at reasonable values of the theoretical density of the particles, the U-235 enrichment and the volume fraction of UOp in the matrix there is significantly more fissure material,

Table 1

Spaltmaterialgehalt in der erfindungsgemäßen
elementenanordnungFissile material content in the invention
arrangement of elements U-235-An- Volumenan
reicherung teil von U0„
(Gewichts-%) in d.MatrixU-235-An volume to
enrichment part of U0 "
(% By weight) in the matrix 0,200.20 Brennstoff-Fuel- Teilchendichte
in % der theore
tischen DichteParticle density
in % of theore
tables density 1010 0,250.25 U02-Gewicht je
3,7 m Länge
der Anordnung
(kR)U02 weight each
3.7 m length
the arrangement
(kR) 9090 1010 0,200.20 9090 1515th 0,250.25 5,15.1 9090 1515th 0,200.20 6,16.1 9090 2020th 0,250.25 7,77.7 9090 2020th 0,250.25 8,28.2 9090 1010 0,200.20 10,210.2 7575 1515th 0,250.25 4,34.3 7575 1515th 0,200.20 5,15.1 7575 2020th 0,250.25 6,H6, H. 7575 2020th 0,250.25 6,86.8 7575 1515th 0,200.20 8,58.5 5050 2020th 0,250.25 4,34.3 5050 2020th 0,200.20 4,54.5 5050 2525th 0,250.25 5,75.7 5050 2525th 5,75.7 5050 7,17.1

3 0 y 6 U 8 / 0 7 4 43 0 y 6 U 8/0 7 4 4

_ ₂₅ _ 2223715_ ₂₅ _ 2223715

Aus .diesen Angaben ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Plattenanordnung einen unmittelbaren Ersatz für eine Standardanordnung eines Siedewasserreaktors darstellt.From. This information shows that the invention Plate arrangement represents an immediate replacement for a standard arrangement of a boiling water reactor.

Example 2 Smaller size core for a boiling water reactor

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich vollständig bei einem Austauschkern verwenden, bei dem die Anzahl der Anordnungen und deren äußere Abmessungen durch den ursprünglichen Reaktoraufbau gegeben sind. Man erhält jedoch eine erhebliche Verringerung der Kerngröße und der Größe des Reaktorbehälters, wenn der Reaktor aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung entworfen wird. In dem vorliegenden Beispiel wird die mögliche Größenverringerung dargestellt.The advantages of the arrangement according to the invention can be fully understood use in a replacement core in which the number of assemblies and their external dimensions are replaced by the original Reactor structure are given. However, there is a significant reduction in core size and the size of the reactor vessel, when the reactor is designed on the basis of the arrangement according to the invention. In the present example, the possible size reduction is shown.

Der Kern eines Siedewasserreaktors sei für eine Leistung von 2.^36 MW entworfen. Es werden Brennstoffanordnungen mit den gleichen Außenabmessungen verwendet, wie bei Standardanordnungen für Siedewasserreaktoren, jedoch enthalten diese Anordnungen ebene Brennstoffplatten. Ein Querschnitt durch einen Brennstoff kern zeigt wiederum Fig. *J. In diesem Fall beträgt die Länge L und die Breite K der Anordnung 13,8 cm. Die Brennstoffelemente sind durch einen Wasserkanal 23 getrennt. DieThe core of a boiling water reactor is designed for an output of 2. ^ 36 MW. There are fuel assemblies with the the same external dimensions are used as in the case of standard arrangements for boiling water reactors, but these arrangements contain flat fuel plates. A cross section through a fuel core again shows Fig. * J. In this case the Length L and width K of the arrangement 13.8 cm. The fuel elements are separated by a water channel 23. the

30980 8/074430980 8/0744

- ₂₆ . 7 22971 ^- _26th 7 22971 ^

Stärke N der Brennstoffplatte beträgt 5,6 mm, die Breite M des Wasserkanals 6,9 mm.Thickness N of the fuel plate is 5.6 mm, the width M of the water channel 6.9 mm.

Bezogen auf den Standardaufbau eines Siedewasserreaktors ergibt sich durch Verwendung von Brennstoffplattenelementen eine Verringerung der radialen Leistungspitzen von 10 % und eine Verringerung der Gesamtleistungsspitzen von 20 %. In der Matrix sind verschiedene Kombinationen von Brennstoffanreicherung, Teilchendichte und Volumenanteil des UO₂ möglich, die in Tabelle 2 dargestellt sind.In relation to the standard construction of a boiling water reactor, the use of fuel plate elements results in a reduction in the radial power peaks of 10 % and a reduction in the total power peaks of 20 %. Various combinations of fuel enrichment, particle density and volume fraction of the UO _{2 are} possible in the matrix, which are shown in Table 2.

Die Gesamtzahl der Brennstoffanordnungen im Kern für alle Kombinationen in Tabelle 2 beträgt 40^4. Dies ist eine Verringerung der Anzahl von Anordnungen um 21 % gegenüber 56O Anordnungen bei einem Standardkern eines Siedewasserreaktors für eine Leistung von 2.^3O MW.The total number of fuel assemblies in the core for all combinations in Table 2 is 40 ^ 4. This is a reduction in the number of arrangements of 21 % compared to 56O arrangements for a standard core of a boiling water reactor for an output of 2 ^ 30 MW.

309808/07309808/07

Table 2

Sraltstcffgehalt und U-235-Anreicherung in einem Siedewasserreaktorkern verringerter GrößeCrude material content and U-235 enrichment in a boiling water reactor core of reduced size

Grundlagebasis

Spaltstoffgehalt je AnordnungFissile material content per arrangement

(kg) (kg)

Teilchendichte in % der theoretischen DichteParticle density in % of the theoretical density

Volumenanteil von UO in d.MatrixVolume fraction of UO in the matrix

U-235-Anreicherung (Gewichts-%)U-235 enrichment (% by weight)

Gleiche Menge an ■Spaltmaterial je Anordnung wie bei der St andardanordnungThe same amount of ■ gap material per arrangement as with the Standard arrangement

Gleiche Gesamtmenge an Spaltmaterial im Kern wie im StandardkernSame total amount of fissile material in the core as in the standard core

50 % mehr Spaltmaterial je Anordnung als bei der Standardanordnung50 % more gap material per arrangement than in the standard arrangement

25 % größere Gesamtmenge an Spaltmaterial in Kern als im Standardkern 25 % larger total amount of fissile material in the core than in the standard core

3,9 5,43.9 5.4

5,9 6,85.9 6.8

0,25 0,25 0,250.25 0.25 0.25

0,250.25

9,29.2

12,8 13,812.8 13.8

16,016.0

Example 3 Compact pressurized water reactor with high power density

Es gibt eine Anzahl von Reaktoranwendungen, bei denen ein kompaktes System hoher Leistungsdichte sehr erwünscht ist. Ein wichtiges Beispiel ist ein Schiffsreaktor, der zum Antrieb von Schiffen verwendet wird. Hohe Leistungen sind in diesem Fall erwünscht, um eine hohe Schiffsgeschwindigkeit zu erzielen und damit den Ertrag durch den Transport einer größeren Menge Pracht je Zeiteinheit zu vergrößern. Ein kompakter Aufbau ist dabei erwünscht, damit das Gewicht und die Größe der Antriebseinheit die Pracht-Tragfähigkeit des Schiffes nicht entscheidend verringert.There are a number of reactor applications where a compact, high power density system is very desirable. An important example is a ship reactor that is used to propel ships. High achievements are in In this case, desired in order to achieve a high ship speed and thus the income from the transport of a larger amount of magnificence per unit of time. A compact design is desirable so that the weight and the size of the drive unit the magnificence of the carrying capacity Ship not significantly reduced.

Das reaktorgetriebene amerikanische Schiff N.S. SAVANNAH benutzt einen Reaktorkern, der 32 Brennstoffanordnungen enthält, von denen jede einen Querschnitt von 21,6 χ 21,6 cm hat. Jede Brennstoffanordnung enthält 164 Brennstoffstäbe mit einem Durchmesser von 1,27 cm. Dieser Reaktor ist ein Druckwasserreaktor. Neuere Sicherheitsuntersuchungen haben gezeigt, daß die maximale Leistung durch die maximale Temperatur der Brennstoffpellets auf 104 MW begrenzt ist.The reactor-powered American ship N.S. SAVANNAH used a reactor core containing 32 fuel assemblies, each of which has a cross section of 21.6 21.6 cm. Every Fuel assembly includes 164 fuel rods with one 1.27 cm in diameter. This reactor is a pressurized water reactor. Recent safety studies have shown that the maximum output is limited to 104 MW by the maximum temperature of the fuel pellets.

Eine Brennstoffanordnung gemäß der Erfindung mit Außenabmessungen, die mit denen des Standard-Druckwasserreaktors überein-A fuel assembly according to the invention with external dimensions, which correspond to those of the standard pressurized water reactor

309808/0744309808/0744

stimmen, wurde entworfen. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Brennstoffkerns. Die Länge R und die Breite Q betragen 21,6 cm. Die Brennstoffelemente 30 sind durch Wasserkanäle 31 voneinander getrennt. Die Stärke 0 einer Brennstoffplatte beträgt 2,2 mm, die Breite P eines Kanals 2,9 mm. Der Leistungspegel des Kerns wurde maximiert, während die gleiche Anzahl und Größe der Brennstoffanordnungen beibehalten wurde. Dies wurde innerhalb heute zur Verfügung stehenden Begrenzungen für Druckwasserreaktoren erreicht. Die folgenden Parameter wurden aJLs Darstellung der he'utigen Technik gewählt:correct, was designed. Fig. 5 shows a cross section of the fuel core. The length R and the width Q are 21.6 cm. The fuel elements 30 are separated from one another by water channels 31 separated. The thickness 0 of a fuel plate is 2.2 mm, the width P of a channel 2.9 mm. The power level the core was maximized while the same number and The size of the fuel assemblies was retained. That was within the limits available today for pressurized water reactors achieved. The following parameters were chosen to represent today's technology:

Strömungsgeschwindigkeit des KühlmittelsCoolant flow rate

maximaler Wärmeflußmaximum heat flow

mittlerer Kühlmitteltemperaturanstieg im Kernmean coolant temperature rise in the core

normaler Betriebsdruck mittlere Kühlmitteltemperaturnormal operating pressure mean coolant temperature

Brennstoffplattenstärke einschließlich UmhüllungFuel plate thickness including cladding

Stärke der UmhüllungThickness of the envelope

Die die Wärmeübergangs- und Wärmetransportbegrenzungen des Kerns definierenden Gleichungen wurden in Größen der Anzahl von Brennstoffplatten je Anordnung und der gesamten Kernwärme-The equations defining the heat transfer and heat transfer limitations of the core have been expressed in terms of number of fuel plates per arrangement and the entire core heat

309808/0744309808/0744

1616 ,5, 5 km/hkm / h 22 ⁰C ⁰ C ⁶ K cal/h m² ⁶ K cal / hm ² bei
. SAVANNAat
. SAVANNA 1,1, 085 x 10085 x 10 2525th kg/cmkg / cm N.S.
SAVANNAH)NS
SAVANNAH) 1010 ,0, 0 C (wieC (like (wie
N.S(how
NS 123123 mmmm beiat 2626th mmmm 2,2, 0,0,

rate geschrieben. Diese Gleichungen wurden gleichzeitig gelöst, um die brauchbaren Werte dieser beiden Parameter zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, daß ein Kern mit Brennstoffplatten, jedoch mit der gleichen Anzahl und Größe von Brennstoffanordnungen wie der Kern der N.S. SAVANNAH eine Leistung von M00.MW erzeugen könnte. Jede Anordnung hätte H2 Brennstoffplatten. Dann wurde die maximale Brennstoffplattentemperatur errechnet und zu etwa 377 C bestimmt, was sehr gut innerhalb der augenblicklichen Werte für mögliche Matrixmaterialien liegt. „_rate written. These equations were solved simultaneously to determine the useful values of these two parameters. The results showed that a core with fuel plates, but with the same number and size of fuel assemblies as the core of the NS SAVANNAH, could produce an output of M00.MW. Any arrangement would have H2 fuel plates. Then the maximum fuel plate temperature was calculated and found to be about 377 C, which is well within the current values for possible matrix materials. "_

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Leitung des Reaktors bei der N.S. SAVANNAH auf 101 MW bei Berücksichtigung der maximalen Brennstofftemperatur beschränkt. Um den Leistungspegel auf 400 MW zu erhöhen, wie dies mittels des dargestellten Entwurfes möglich ist, wären etwa in jeder Brennstoffanordnung 63O Brennstoffstäbe mit in Hüllrohren enthaltenen Pellets erforderlich. Es ist praktisch unmöglich, einen derartigen Aufbau herzustellen, ohne die Querschnittsabmessungen jeder Anordnung und damit die gesamte Kerngröße erheblich zu erhöhen.As mentioned above, the line of the reactor is at the N.S. SAVANNAH limited to 101 MW taking into account the maximum fuel temperature. To increase the power level to 400 MW, as shown by means of the Design is possible, would be in each fuel assembly 63O fuel rods contained in cladding tubes Pellets required. It is practically impossible to make such a structure without the cross-sectional dimensions any arrangement and thus the total core size to increase considerably.

Der mögliche Bereich des Spaltstoffgehaltes in dem Kern gemäß der Erfindung wurde ermittelt. Die Rechnungen stützten sich auf eine Teilchendichte von 75 % der theoretischen Dichte undThe possible range of fissile material content in the core according to the invention has been determined. The calculations were based on a particle density of 75 % of the theoretical density and

3098Ü8/07U3098Ü8 / 07U

einen Volumenanteil des Brennstoffes in der Matrix von 25 %·. Der U-235-Gehalt je Anordnung und die U-235-Anreicherung wurden als Variable angesehen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 als Spaltstoffgehalt in der Brennstoffplattenanordnung gemäß der Erfindung, bezogen auf den mittleren Spaltstoffgehalt in jeder Brennstoffanordnung der N.S. SAVANNAH von üblichem Typ angegeben. Diese Ergebnisse zeigen, daß ein ¹1,66-mal so großer
Gehalt gegenüber dem Gehalt beim Reaktor der N.S. SAVANNAH
durch Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffelemente.nanordnungen erreicht werden kann.a volume fraction of the fuel in the matrix of 25 %. The U-235 content per arrangement and the U-235 enrichment were viewed as variables. The results are given in Table 3 as the fissile material content in the fuel plate assembly according to the invention, based on the average fissile material content in each fuel assembly of the NS SAVANNAH of conventional type. These results show that a ¹ 1.66 times larger
Salary compared to the salary at the NS SAVANNAH reactor
can be achieved by using the fuel element arrangements according to the invention.

Table 3

Spaltstoffgehalt in den Platten des Kerns eines Schiffsreaktors Fissile material content in the plates of the core of a ship reactor

Verhältnis des U-235-Gehaltes in der Brennst off plattenanordnung zum U-235-Gehalt bei der N.S. SAVANNAH Ratio of the U-235 content in the fuel plate arrangement to the U-235 content in the NS SAVANNAH

1,01.0

1,5 2,01.5 2.0

2,5 . 3,0 U,0 H,662.5. 3.0 U, 0 H, 66

U-235-Gehalt
je Anordnung
(kg)U-235 content
per arrangement
(kg) Anreicherung
(Gewichts-%
U-235)enrichment
(Weight%
U-235) 10,210.2 19,919.9 15,315.3 29,929.9 20,420.4 39,839.8 25,525.5 49,849.8 30,630.6 59,759.7 «10,8«10.8 79,679.6 47,647.6 93,093.0

3 (J ¹J -V! ο / UV 4 U 3 (J ¹ J -V! Ο / UV 4 U

example kk

Kern für einen schnellen Brutreaktor mit flüssigem Metall als KühlmittelCore for a fast breeder reactor with liquid metal as a coolant

Schnelle Brutreaktoren sind sehr wichtige Reaktoren. Die im allgemeinen hohe Leistung pro Volumeneinheit (im Vergleich zu üblichen Siedewasser- und Druckwasserreaktoren) bei schnellen Brutreaktoren führte zum Entwurf von sehr eng gepackten Brennstoffanordnungen mit Stäben geringen Durchmessers oder dünnen Platten.Fast breeder reactors are very important reactors. The generally high output per unit volume (in comparison to common boiling water and pressurized water reactors) in fast breeder reactors led to the design of very tightly packed fuel assemblies with rods of small diameter or thin plates.

Die Anforderungen an die Reaktorsteuerungen sind bei schnellen Brütern strenger als bei konventionellen thermischen Reaktoren. Die Wirkung des Anteils der verzögerten Neutronen des Plutoniumbrennstoffes in einem typischen schnellen Brüter beträgt etwa die Hälfte von dem in einem thermischen mit Uran betriebenen Kern, und die Lebensdauer der prompten Neutronen in dem schnellen Reaktor ist wesentlich geringer als die in einem thermischen Reaktor. Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Verringerung der zwangsläufigen Reaktivitätssteuerschwierigkeiten eine gesteuerte Ausdehnungsbrennstoffanordnung zu benutzen. Diese Anordnung enthält ein brennstofftragendes Bauelement, das ebenso lang ist, wie der aktive Kern, sowie zwei andere BrennstoffUnteranordnungen, die jeweils etwas kürzer sind als die halbe Länge des aktiven Kerns. Die beiden UnteranordnungenThe requirements for the reactor controls are stricter for fast breeders than for conventional thermal reactors. The effect of the delayed neutron fraction of the plutonium fuel in a typical fast breeder is about half of that in a thermal uranium fueled core, and the lifetime of prompt neutrons in that fast reactor is much less than that in a thermal reactor. It has already been suggested to reduce it the inevitable reactivity control difficulties of using a controlled expansion fuel assembly. This arrangement includes a fuel-carrying component that is the same length as the active core, as well as two others Fuel subassemblies each slightly shorter than half the length of the active core. The two sub-arrays

3Ü9808/O74A3Ü9808 / O74A

enthalten den größten Teil des gesamten aktiven Brennstoffes. Jede der beiden kürzeren Unteranordnungen ist nur an einem ihrer Enden mit einem Ende des Hauptbauelementes verbunden. Die beiden kürzeren Anordnungen werden mittels entsprechender Abstandsstücke radial von dem Bauelement geführt, können sich jedoch unabhängig von diesem Bauelement in axialer Richtung ausdehnen.contain most of the total active fuel. Each of the two shorter subassemblies is only on one their ends connected to one end of the main component. The two shorter arrangements are made using a corresponding Spacers guided radially from the component, can however, expand independently of this component in the axial direction.

Bei einer plötzlichen Erhöhung des Leistungspegels im Kern erhöht sich die Brennstoffteilchentemperatur durch die- Anordnung hindurch und das Bauelement verlängert sich infolge der unterschiedlichen Geometrie, der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und des unterschiedlichen Wärmediffusionsvermögens der verwendeten Materialien mehr und schneller als die kürzeren Anordnungen. Dadurch entspricht die axiale Trennung der beiden kürzeren Unteranordnungen der Entfernung von Brennstoff aus dem Zentrum des Kerns. Dadurch ergibt sich infolge der Wärmeausdehnung ein vorhersehbarer, negativer Temperaturkoeffizient der Reaktivität.In the event of a sudden increase in the power level in the core the fuel particle temperature increases through the arrangement and the component is elongated as a result of the different geometry, the different coefficients of thermal expansion and the different heat diffusivity of the materials used more and faster than the shorter arrangements. As a result, the axial separation of the two shorter subassemblies corresponds to the removal of fuel from the center of the core. This results in a predictable, negative temperature coefficient due to thermal expansion the reactivity.

Die erfindungsgemäße Brennstoffelementenanordnung ermöglicht ein einzigartiges Verfahren zur Einstellung des wirksamen Wärmeausdehnungskoeffizienten von zwei benachbarten Anordnungen und damit eine Einstellung der Reaktorleistung. Eins der Schlüssel·The fuel element assembly according to the invention enables a unique method for setting the effective Thermal expansion coefficients of two adjacent arrangements and thus an adjustment of the reactor output. One of the keys

3Ü98U8/07443Ü98U8 / 0744

elemente bei dem Ansprechen durch axiale Ausdehnung der Brennstoff enthaltenden Unteranordnungen und des Bauelementes ist der relative Widerstand gegenüber dem Wärmetransport von den einzelnen Brennstoffteilchen zur gekühlten Wärmeübertragungsfläche. Die Erfindung ermöglicht die Änderung des wirksamen Wärmediffusionsvermögens der Brennstoffplattenmatrix durch Änderung der individuellen Teilchendichte, des das jeweilige kugelförmige Teilchen umgebenden äußeren leeren Raums und des "Volumenanteils des Teilchengehaltes in der Matrix.elements when responding through axial expansion of the fuel containing subassemblies and the component is the relative resistance to heat transfer from the individual fuel particles to the cooled heat transfer surface. The invention enables the change of the effective Thermal diffusivity of the fuel plate matrix by changing the individual particle density of the particular spherical particles surrounding outer empty space and the "volume fraction of the particle content in the matrix.

Bei Anwendung dieses Verfahrens wird eine Elementenanordnung mit unterschiedlichen Matrizes im Bauabschnitt mit der Länge des vollen Kerns und den kürzeren Brennstoff enthaltenden Unteranordnungsabschnitten hergestellt. Diese Anordnung wird so aufgebaut, daß die unterschiedliche Wärmeempfindlichkeit der beiden Matrizes die gewünschte Übergangs- und stationäre differenzielle Ausdehnung ergibt, die für eine wirksame Reaktivitätssteuerung erforderlich ist.When using this method, an arrangement of elements with different matrices in the construction section with the length of the full core and the shorter fuel containing subassembly sections. This arrangement will constructed so that the different heat sensitivity of the two matrices the desired transition and stationary differential expansion required for effective reactivity control.

Eine Brennstoffanordnung für einen schnellen Brüter mit flüssigem Metall als Kühlmittel, bei dem das erfindungsgemäße Element verwendet wird, ist im Querschnitt in Fig. 6 gezeigt. Bei dieser Anordnung werden zwei Arten von Plattenelementen verwendet. Die Seitenplatten 37 erstrecken sich über die gesamte Länge des Kerns und bilden mit zwei keinen Brennstoff enthaltendenA fuel assembly for a fast breeder with liquid metal as a coolant, in which the element according to the invention is used is shown in cross section in FIG. In this arrangement, two types of plate members are used. The side plates 37 extend the full length of the core and form with two non-fuel

309808/0744309808/0744

oberen und unteren Stützplatten 38 den Hauptaufbau bzw. die Umhüllung der Gesamtanordnung. Die beiden inneren, Brennstoff enthaltenden Unteranordnungen haben jeweils etwa die Länge des halben Kerns und weisen Brennstoff enthaltende Platten 36 mit dazwischen liegenden Kühlmittelkanälen 35 auf. Die Umhüllungsabmessungen der Anordnung, die Anzahl der Platten und die Plattenstärke werden so gewählt, daß sich eine Anordnung mit der gewünschten äußeren Abmessung, dem gewünschten Gesamtflächenbereich für die Wärmeübertragung und dem gewünschten Bereich für den Kühlmittelfluß ergibt.upper and lower support plates 38 represent the main structure and the Wrapping of the overall arrangement. The two inner ones, fuel containing subassemblies are each about half the length of the core and have fuel containing subassemblies Plates 36 with coolant channels 35 in between. The envelope dimensions of the arrangement, the number of plates and the plate thickness are selected so that an arrangement with the desired external dimension, the desired total surface area for heat transfer and the desired Area for the coolant flow results.

Example 5 Gas-cooled reactor core

Bei gasgekühlten Reaktoren wird inertes Gas, üblicherweise Helium, als primäres Kühlmittel verwendet. Gasgekühlte Reaktoren verdampfen im allgemeinen in einem Sekundärsystem Wasser, obwohl auch in einem direkten Zyklus Gasturbinen verwendet werden können.In gas-cooled reactors, inert gas, usually helium, is used as the primary coolant. Gas-cooled reactors generally vaporize water in a secondary system, although gas turbines are also used in a direct cycle can.

Die gute Wärmeleitfähigkeit, die hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, die besonders gute Wärmefestigkeit und das gute Bremsverhalten des Graphits lassen diesen als Matrixmaterial für die Füllstoffplatten gemäß der Erfindung besonders geeignet erscheinen.The good thermal conductivity, the high strength at high temperatures, the particularly good heat resistance and the good Braking behavior of the graphite makes it particularly suitable as a matrix material for the filler plates according to the invention appear.

3098 0 8/07443098 08/0744

Bisherige Verwendung von Graphit als Matrixmaterial umfaßte die Imprägnierung porösen Graphits mit uranhaltigen Lösungen und die dann folgende in situ Umwandlung in ein Karbid oder Oxid. Die sehr geringe Größe der Brennstoffphase bei diesem Verfahren führte zu erheblichen Beschädigungen der Matrix während der Bestrahlung.Previous use of graphite as a matrix material included the impregnation of porous graphite with uranium-containing solutions and the subsequent in situ conversion to a carbide or oxide. The very small size of the fuel phase in this one Procedure resulted in significant damage to the matrix during irradiation.

Ein umfangreicher angewendetes Verfahren zur Erzeugung von Brennstoffen mit einer Graphitmatrix bestand darin, den Brjenn.7 stoff dem Graphit in Oxidform zuzusetzen, die Matrix herzustellen und das Oxid durch Reaktion mit dem benachbarten Graphit in Karbid umzuwandeln. Ein Hauptnachteil bei diesem Verfahren besteht in den leeren Räumen zwischen der Matrix und den Brennstoffteilchen durch die Entfernung von Kohlenstoff, wodurch der Aufbau geschwächt wird.A more extensively used method for the production of fuels with a graphite matrix consisted in the Brjenn.7 Adding substance to the graphite in oxide form, producing the matrix and the oxide by reacting with the neighboring graphite to convert to carbide. A major disadvantage with this method is the empty spaces between the matrix and the fuel particles by removing carbon, thereby weakening the structure.

Neuere Herstellungsverfahren arbeiten mit einer Heißformung einer Matrix aus Graphit, Pech und Brennstoffteilchen oder dem Extrudieren einer Mischung aus Brennstoffteilchen, kohlenstoffhaltigen Füllstoffen und Bindemittel. Dabei ergeben sich viele Nachteile. Während des Mischvorganges neigen Teilchen unterschiedlicher Größe und Dichte zur Seigerung und zum Entstehen inhomogener Brennstoffdispersionen. Die anzuwendenden hohen Temperaturen ergeben unerwünschte Reste der Nicht-Brennstoffphase und führen zur Wanderung der Brennstoffphase durchNewer manufacturing processes work with a hot forming of a matrix of graphite, pitch and fuel particles or extruding a mixture of fuel particles, carbonaceous fillers and binder. This results many disadvantages. During the mixing process, particles of different sizes and densities tend to segregate and to Inhomogeneous fuel dispersions arise. The high temperatures to be used result in undesirable residues of the non-fuel phase and perform to migration of the fuel phase

3 ü Β B U 8 / U 7 4 A3 ü Β B U 8 / U 7 4 A

den.Graphitaufbau. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, ein Mischverfahren zu wählen, das ausreichend sanft ist, um Beschädigungen der Beschichtungen zu vermeiden, wenn beschichtete Brennstoffteilchen verwendet werden.the.graphite structure. The main difficulty is getting one Choose a mixing method that is gentle enough to avoid damaging the coatings when coated Fuel particles are used.

Mittels der Erfindung wird eine Brennstoffelementenanordnung geschaffen, die in gasgekühlten, auf hoher Temperatur arbeitenden Reaktoren verwendet werden, kann, wobei die Brennstoffteilchendispersion oder -verteilung in beliebiger Form steuerbar ist und bei der keine unerwünschten Reste, Verunreinigungen, wandernde Brennstoffphasen oder unerwünschte leere Räume infolge der Kohlenstoffreaktionsvorgänge entstehen.By means of the invention, a fuel element arrangement is created which operates in gas-cooled, high-temperature Reactors can be used, with the fuel particle dispersion or distribution can be controlled in any form and in which no undesired residues, impurities, Migrating fuel phases or undesired empty spaces arise as a result of the carbon reaction processes.

Es können Graphitfüllstoffplatten, etwa "Grafoil" verwendet werden, und die Zellen werden in der vorstehend beschriebenen Weise gefüllt. Sie enthalten Brennstoff in Form von Mikrokugeln und werden so verbunden, daß sie Brennstoffplatten zur Verwendung in gasgekühlten Reaktoren für hohe Temperatur bilden. Derartige Brennstoffe sind Mikrokugeln aus Urankarbid, die in einer Stärke bis zu 25 Mikron mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet sind, sowie unbeschichtete Uranteilchen in einer Größe von 1 mm, die in Graphitfolien für diesen Reaktorkern eingebracht werden.Graphite filler plates such as "Grafoil" can be used and the cells are filled as described above. They contain fuel in the form of microspheres and are connected to form fuel plates for use in high temperature gas cooled reactors. Such fuels are uranium carbide microspheres up to 25 microns thick with pyrolytic carbon are coated, as well as uncoated uranium particles in a size of 1 mm, which are in graphite foils for this reactor core be introduced.

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Claims

Expectations

Nuclear reactor, with a series of flat, longitudinally extending elements, the surfaces of which are essentially lie in parallel planes, each element being nuclear fuel and cladding plates enclosing them has, with coolant channels between the elements and with the fuel elements on opposite sides -.- sides connecting side plates, characterized in that one or more plates between the cover plates are provided which have cells with a diameter of 10 to 3 x 000 microns, in which .der nuclear fuel is located.

2. Fuel element arrangement according to claim 1, characterized in that that the fuel contains fissile material, breeding material or a mixture of these.

3. Fuel element arrangement according to claim 2, characterized in that that the fuel is arranged to produce a breeding reaction.

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H. Fuel element arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the fuel is in the form of spheres.

5. Fuel element arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ratio of Cell volume to fuel volume within the cell is approximately between 1: 1 to 2: 1.

6. Nuclear reactor, characterized by a fuel element assembly according to one of the preceding claims.

7. Reactor according to claim 6, characterized in that it is a boiling water reactor, pressurized water reactor, fast breeder reactor or gas-cooled reactor for high temperature.

see below: kö

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