CH646811A5

CH646811A5 - NUCLEAR FUEL PAD THAT PRESENTS HOT REDUCED DEFORMATIONS.

Info

Publication number: CH646811A5
Application number: CH747281A
Authority: CH
Inventors: Ugo Dr-Ing Rocca
Original assignee: Ansaldo Impianti Spa
Priority date: 1980-12-04
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1984-12-14
Also published as: IT1209773B; SE8106922L; DE3148136A1; SE447176B; ES8302343A1; DE3148136C2; ES507517A0; IT8012744A0

Description

L'oggetto della presente invenzione è costituito da una pastiglia di combustibile nucleare che presenta a caldo deformazioni ridotte. The object of the present invention is constituted by a nuclear fuel pellet which shows reduced deformations when hot.

Usualmente le pastiglie sono costituite da cilindretti di U02 (ossido di uranio) sinterizzato, di dimensioni dell'ordine del centimetro, e vengono contenute in tubi di Zincaloy (o acciaio) chiusi alle estremità. Più tubi assemblati tramite opportune piastre di estremità, distanziatori radiali, elementi elastici ecc. costituiscono un elemento di combustibile di reattori nucleari. Usually the pads are made of sintered U02 (uranium oxide) cylinders, of the order of one centimeter, and are contained in Zincaloy (or steel) tubes closed at the ends. Multiple tubes assembled by means of suitable end plates, radial spacers, elastic elements etc. they constitute a fuel element of nuclear reactors.

Durante il funzionamento della pastiglia di combustibile nucleare, questa si deforma per effetto delle differenti temperature di regime che si stabiliscono nei vari punti della pastiglia. Tale deformazione termica può portare alla rottura della pastiglia, né fino ad oggi erano state trovate soluzioni semplici ed efficaci per la risoluzione di tale problema. During the operation of the nuclear fuel pad, it deforms due to the different operating temperatures that are established in the various points of the pad. This thermal deformation can lead to the breaking of the pad, nor have simple and effective solutions been found to date for solving this problem.

La presente invenzione, definita dalla rivendicazione 1, costituisce un perfezionamento delle forme di realizzazione attualmente note. The present invention, defined by claim 1, constitutes an improvement of the currently known embodiments.

— La fig. 1 mostra in sezione verticale schematica una guaina per il contenimento di una pila di pastiglia di combustibile nucleare; - Fig. 1 shows a schematic vertical section of a sheath for containing a stack of nuclear fuel pellet;

— la fig. 2 mostra in sezione una generica pastiglia di combustibile di forma sostanzialmente cilindrica; - fig. 2 shows a cross section of a generic substantially cylindrical fuel pellet;

— la fig. 3 illustra le curve F e T già illustrate nell'introduzione; - fig. 3 illustrates the curves F and T already illustrated in the introduction;

— la fig. 4 illustra schematicamente la deformazione termica della pastiglia di combustibile; - fig. 4 schematically illustrates the thermal deformation of the fuel pellet;

— le fig. 5 a 10 si riferiscono a forme note di realizzazione di una pastiglia di combustibile e sono riportate nei disegni al solo scopo di illustrare più chiaramente i vantaggi ottenibili con il perfezionamento rivendicato nella presente invenzione; - the fig. 5 to 10 refer to known embodiments of a fuel pellet and are shown in the drawings for the sole purpose of illustrating more clearly the advantages obtainable with the improvement claimed in the present invention;

— la fig. 11 mostra in sezione lungo un piano assiale passante per le basi una pastiglia di combustibile secondo l'invenzione. - fig. 11 shows in section along an axial plane passing through the bases a pellet of fuel according to the invention.

Le pastiglie di U02 (vedi fig. 1) sono disposte in senso assiale nel tubo (guaina) con un piccolo gioco diametrale che ne permetta il caricamento e la dilatazione in senso radiale. Un opportuno gioco assiale, con molla di compressione per contenere gli spostamenti durante il trasporto ed il funzionamento, assicura l'espansione a caldo in senso assiale. The U02 pads (see fig. 1) are arranged axially in the tube (sheath) with a small diametrical play which allows their loading and expansion in a radial direction. A suitable axial play, with a compression spring to contain displacements during transport and operation, ensures hot expansion in the axial direction.

Durante il funzionamento in reattore, nella pastiglia (fig. 2) si produce potenza per effetto del flusso neutronico (vedi curva F in fig. 3) e si genera un flusso di calore verso il fluido refrigerante (acqua) che scorre all'esterno della guaina. During reactor operation, power is produced in the pad (fig. 2) due to the effect of the neutron flux (see curve F in fig. 3) and a heat flow is generated towards the refrigerant fluid (water) which flows outside the sheath.

Per effetto della generazione di potenza e del raffreddamento, si stabilisce una distribuzione di temperatura nella pastiglia, indicativamente rappresentata in senso radiale della curva T in fig. 3. As a result of power generation and cooling, a temperature distribution is established in the pad, indicatively represented in the radial direction of the T curve in fig. 3.

La espansione termica, in senso assiale e radiale, porta la pastiglia a deformarsi come indicato in fig. 4. Ciò comporta una interazione più o meno forte con la guaina, soprattutto in corrispondenza alle estremità delle pastiglie. Per ridurre la deformazione a caldo, e quindi l'interazione, si ricorre usualmente a «cianfrinatura» dei bordi, vedi fig. 5, o a cavità di espansione sulle due facce, figg. 6 e 7, o su una sola fig. 8.1 risultati sperimentali non sono però completamente soddisfacenti. The thermal expansion, axially and radially, causes the pad to deform as shown in fig. 4. This involves a more or less strong interaction with the sheath, especially at the ends of the pads. To reduce hot deformation, and therefore interaction, we usually resort to "chamfering" of the edges, see fig. 5, or an expansion cavity on the two faces, figs. 6 and 7, or on one fig. 8.1 experimental results are however not completely satisfactory.

La soluzione indicata in fig. 9, un foro centrale nella pastiglia ha fornito sperimentalmente risultati più promettenti. Non è però usata commercialmente sia perché (a) richiede arricchimenti in fissili (Uranio 235 p.e.) leggermente più alti per compensare l'alta percentuale di vuoti che comunque comporta, sia perché (b) il «canale» che viene così formato lungo la barra di combustibile può favorire gli spostamenti di massa in seguito a frammentazione, crachizza-zione ecc. dell'U02, alterando la configurazione del fissile di progetto. The solution shown in fig. 9, a central hole in the pad has experimentally provided more promising results. However, it is not used commercially both because (a) it requires slightly higher fissile enrichments (Uranium 235 pe) to compensate for the high percentage of voids it still entails, and because (b) the "channel" that is thus formed along the bar of fuel can favor mass displacements following fragmentation, crashing, etc. of U02, altering the configuration of the project fissile.

È bene comunque rimarcare un pregio della soluzione di fig. 9, consistente nella eliminazione di una parte della pastiglia che risulta poco interessante dal punto di vista s However, it is good to point out one advantage of the solution in fig. 9, consisting in the elimination of a part of the pad which is not very interesting from the point of view s

io I

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3

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neutronico e che contribuisce sensibilmente alla espansione termica, vedi fig. 3 curve F e T. neutron and which contributes significantly to thermal expansion, see fig. 3 curves F and T.

Il mantenimento di questo pregio, nonché la riduzione dell'inconveniente (a) e l'eliminazione dell'inconveniente (b) sopra menzionati può essere ottenuto ricorrendo alla forma di pastiglia in fig. 10. Confrontando quest'ultima con la fig. 9 di partenza, si può notare come per facilitare la fabbricazione della pastiglia parzialmente forata di fig. 10, convenga ridurre la sezione dei due fori verso il centro della pastiglia, ottenendo quindi in sezione due «U», di diametro «d» e profondità «h» opportuni. The maintenance of this value, as well as the reduction of the drawback (a) and the elimination of the drawback (b) mentioned above can be obtained by resorting to the form of tablet in fig. 10. Comparing the latter with fig. 9 of the starting point, it can be seen how to facilitate the manufacture of the partially perforated pad of fig. 10, it is convenient to reduce the section of the two holes towards the center of the pad, thus obtaining in section two "U", of suitable diameter "d" and depth "h".

Deve cioè risultare almeno h/d > 1 per poter considerare la fig. 10 caso «ottimizzato» della forma di fig. 9. La differenza sostanziale tra le forme indicata nelle figg. 6 e 7 e quella di fig. 10 consiste nell'elevato valore del rapporto h/d in quest'ultima. That is, it must be at least h / d> 1 in order to consider fig. 10 "optimized" case of the shape of fig. 9. The substantial difference between the shapes shown in figs. 6 and 7 and that of fig. 10 consists of the high value of the h / d ratio in the latter.

La soluzione in fig. 10 può essere anche utilizzata in aggiunta a quelle indicate nelle figg. 5, 6 e 7 (ed eventualmente 8 se si considera un solo foro ad U nella pastiglia di fig. 10). The solution in fig. 10 can also be used in addition to those indicated in figs. 5, 6 and 7 (and possibly 8 if we consider only one U-hole in the pad of fig. 10).

Nell'introduzione della presente descrizione sono stati indicati i limiti delle varie soluzioni note rappresentate schematicamente nelle figg. 5 a 10. In the introduction of the present description the limits of the various known solutions have been indicated schematically represented in figs. 5 to 10.

La forma geometrica indicata in fig. 11, oggetto del presente brevetto, si differenzia da tutte quelle finora prese in considerazione per i particolari valori dei rapporti geometrici connessi: The geometric shape shown in fig. 11, object of the present patent, differs from all those considered up to now for the particular values of the related geometric relationships:

h/d <1 d/D < 1/2 h / d <1 d / D <1/2

Si ritiene che con queste proporzioni si ottimizzi la soluzione di eliminare del materiale poco sfruttato neutroni-si elimina anche del materiale non interessato alla deformazioni a caldo indicate in fig. 4. Può essere utile un confronto con le altre soluzioni: It is believed that with these proportions the solution of eliminating the little exploited neutron material is optimized-eliminates also of the material not interested in the hot deformations indicated in fig. 4. A comparison with the other solutions may be useful:

Nelle soluzioni delle figg. 5, 6 e 7 si elimina del materiale verso la periferia delle pastiglie, utile neutronicamente 5 e non ad alta temperatura; nel caso di fig. 10 probabilmente si elimina anche del materiale non interessato alla deformazione ai bordi della pastiglia e si va incontro a problemi di fabbricazione. In the solutions of figs. 5, 6 and 7, material is eliminated towards the periphery of the pads, useful neutronically 5 and not at high temperature; in the case of fig. 10, material not affected by deformation at the edges of the pad is also probably eliminated and manufacturing problems are encountered.

Inoltre, in fig. 9 come in fig. 10, il volume asportato io nell'ipotesi che «h» sia ~ «L»/2 può risultare elevato anche per piccoli valori di «d». Furthermore, in fig. 9 as in fig. 10, the volume removed I in the hypothesis that "h" is ~ "L" / 2 can be high even for small values of "d".

Per ridurre l'espansione in senso assiale, può essere necessario per le forme in fig. 9 e fig. 10 ricorrere anche alle soluzioni di fig. 6 e fig. 7, in aggiunta. To reduce the expansion in the axial direction, it may be necessary for the shapes in fig. 9 and fig. 10 also use the solutions of fig. 6 and fig. 7, in addition.

15 Nel caso di fig. 11 invece, il diametro «d» è meno critico, a parità di volume asportato, non essendo elevati i valori «h» associati a questa configurazione. Si possono ancora adottare, nel caso di fig. 11, aggiuntivamente, le soluzioni delle figg. 5, 6 e 7. 15 In the case of fig. 11 on the other hand, the diameter "d" is less critical, with the same volume removed, since the "h" values associated with this configuration are not high. They can still be adopted, in the case of fig. 11, additionally, the solutions of figs. 5, 6 and 7.

20 Nel caso di fig. 11 però può essere sufficiente un semplice «raccordo» di ingombri «d» e «h» per ottenere il benefico effetto di ridurre sensibilmente l'espansione assiale della pastiglia. 20 In the case of fig. 11, however, a simple "connection" of dimensions "d" and "h" may be sufficient to obtain the beneficial effect of significantly reducing the axial expansion of the pad.

I volumi asportati associati alla soluzione oggetto del 25 presente brevetto risultano in genere piccoli (1-3% della pastiglia), dipendendo dal rapporto L/D oltre che da h/d. È bene notare che aumentando «L», diminuisce percentualmente il valore del volume asportato, come avviene nei casi delle figg. 5, 6 e 7 ed a differenza di quanto avviene nel 30 caso di fig. 9 o può avvenire nel caso di fig. 10 se «h» risulta una parte significativa di «L». The removed volumes associated with the solution object of the present patent 25 are generally small (1-3% of the tablet), depending on the L / D ratio as well as on h / d. It should be noted that by increasing «L», the value of the removed volume decreases in percentage, as occurs in the cases of figs. 5, 6 and 7 and unlike what happens in the 30 case of fig. 9 or can occur in the case of fig. 10 if "h" is a significant part of "L".

Nel caso presente le dimensioni «h» e «d» sono invece in relazione solo con «D», assumendo per «L» valori usualmente realizzati (L/D ~ 1, o > 1). In the present case, the dimensions «h» and «d» are instead related only to «D», assuming for «L» values usually realized (L / D ~ 1, or> 1).

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1 foglio disegni 1 sheet of drawings

Claims

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1. Nuclear fuel pellet, substantially cylindrical in shape which exhibits reduced deformations when hot, with less danger, therefore, of mechanical interactions with the sheath, of the type which provides at the two bases, the cylindrical pad, in axial position, a pair of substantially conical grooves, with the vertex facing the center of the pad, characterized in that the larger diameter of said grooves, substantially conical in shape, is less than or equal to half the diameter of the fuel pad; wherein moreover the ratio between the depth of each recess and the larger diameter thereof is less than or equal to one.

2. Nuclear fuel tablet according to claim 1, characterized in that said recesses have a conical shape with the apex rounded by a spherical cap.

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3. Nuclear fuel pellet, according to claim 1, characterized in that said recesses have a substantially U-shaped diametrical section; the arms of said U being preferably widened outwards, i.e. towards the bases of the pad.

Nuclear fuel pellet, according to claim 1, characterized in that the two bases are provided with a chamfer with a side comprised between one tenth and one fiftieth of the pad diameter.

5. Nuclear fuel pellet, according to claim 1, characterized in that each of the two bases of the cylindrical pellet, in addition to the recess mentioned, provides a substantially spherical cap-shaped cavity in which the ratio between the cap arrow and the rope of the same is less than a fifth; wherein moreover the ratio between the rope of the cap and the diameter of the pad is between 0.5 and 0.9.

6. Nuclear fuel pellet, according to claim 1, characterized in that, at least one of the bases of the cylindrical pellet, in addition to the corresponding recess cited, provides a substantially spherical cap-shaped cavity in which the ratio of the cap arrow and the rope of the same is less than a fifth; wherein moreover the ratio between the rope of the cap and the diameter of the pad is between 0.5 and 0.9.

7. Nuclear fuel tablet, according to claim 1, characterized in that at least one of the two bases, in addition to the corresponding recess mentioned, has a substantially flat bottom cavity whose side wall has a substantially truncated cone shape; wherein the ratio between the depth and the diameter of said cavity is less than one fifth, while the ratio between the diameter of said cavity and the diameter of the pad is between 0.5 and 0.9.

8. Nuclear fuel pellet, according to claim 1, characterized in that each of the substantially conical grooves of the two bases of the pellet is provided at its major base with a chamfer whose side is between half a tenth of the diameter greater than the hollow itself.