DE1051424B - Fuel element for nuclear reactors - Google Patents

Fuel element for nuclear reactors

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DE1051424B
DE1051424B DED29003A DED0029003A DE1051424B DE 1051424 B DE1051424 B DE 1051424B DE D29003 A DED29003 A DE D29003A DE D0029003 A DED0029003 A DE D0029003A DE 1051424 B DE1051424 B DE 1051424B
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fuel
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DED29003A
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Arno Mueller
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Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/36—Assemblies of plate-shaped fuel elements or coaxial tubes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

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Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft ein aus zwei oder mehr Teilelementen bestehendes Brennstoffelement für Kernreaktoren, und sie bestellt darin, daß jedes Teilelement aus einer konischen Hülse besteht, die zentrisch oder azentmseh in die nächstfolgende Hülse einfügbar ist und dabei einen Spalt für den. Kühlmitteldurchtritt zwischen den benachbarten Teilen beider Hülsen frei läßt. Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Maßnahme besteht jedes Teilelement aus zwei übereinandergesteckten Hülsen, zwischen denen der Brennstoff liegt. Dabei können die Hülsen an den Stirnflächen miteinander verschweißt oder verlötet sein. Der Brennstoff wird zwischen den Hülsen entweder in einer zusammenhängenden Fläche oder in einzelnen Feldern, Streifen, Ringen od. dgl. angeordnet.The invention relates to a fuel element for nuclear reactors consisting of two or more sub-elements, and it ordered that each sub-element consists of a conical sleeve that is centric or azentmseh can be inserted into the next following sleeve while leaving a gap for the. Coolant passage leaves free between the adjacent parts of both sleeves. According to a further measure according to the invention Each sub-element consists of two sleeves placed one above the other, between which the fuel lies. The sleeves can be welded or soldered to one another at the end faces. Of the Fuel is between the pods either in a contiguous area or in individual Fields, strips, rings or the like. Arranged.

In heterogenen Atomreaktoren wird der Brennstoff im allgemeinen in Form einzelner Brennstoffelemente benutzt, die als zylindrische Stäbe, Stabbündel, rohrförmige Elemente, Plattenelemente oder als keramische Formkörper ausgebildet sein, können. Die Gestaltung derartiger Brennstoffelemente ist von großem Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit einer Anlage, und es ist nicht nur auf gute Betriebseigenschaften der Elemente zu achten, sondern vor allem auch auf eine einfache und billige Herstellmöglichkeit und gegebenenfalls eine leichte Aufarbeit der verbrauchten Elemente.In heterogeneous nuclear reactors, the fuel is generally in the form of individual fuel elements used as cylindrical rods, rod bundles, tubular elements, plate elements or as ceramic Shaped body can be formed. The design of such fuel elements is of great influence on the profitability of a plant, and it is not just on good operating properties of the elements to pay attention, but above all to a simple and cheap manufacturing possibility and if necessary a light work-up of the used elements.

Die obengenannten Erfordernisse werden von dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement weitgebend, erfüllt, da es gute wärmetechnische und physikalische Eigenschaften aufweist und sich einfach und billig herstellen läßt. Die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente eignen sich sowohl für flüssigkeits- als auch für gasgekühlte Reaktoren.The above requirements are largely met by the fuel element according to the invention, because it has good thermal and physical properties and is simple and cheap can be produced. The fuel elements according to the invention are suitable for both liquid and gas-cooled reactors.

Das erfindungsgemäße Brennstoffelement ist .in seinem Aufbau in Abb. 1 gezeigt, während in Abb. 2 der Einbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffelementes in den Kühlkanal eines Reaktors dargestellt ist.The fuel element according to the invention is shown in its structure in Fig. 1, while in Fig. 2 the Installation of a fuel element according to the invention is shown in the cooling duct of a reactor.

Der Kernbrennstoff 1 ist jeweils zwischen zwei konischen, übereinandergeschobenen Rohrhülsen 2 und 3 angeordnet, die an den beiden Stirnseiten durch die Schweißnaht 4 dicht verschweißt sind. Die Rohrhülsen bestehen zweckmäßigerweise aus einem neutronendurchlässigen, korrosionsbeständigen Material mit möglichst hoher Warmfestigkeit. Durch das Ineinanderstecken einer größeren Anzahl von Hülsen wird das in Abb. 2 gezeigte gesamte Brennstoffelement gebildet. Zwischen den einzelnen Hülsen liegen Abstandhalter 5, die als Leitflächen dergestalt ausgebildet sein können,, daß ringförmige Kanäle für das bindiurchstreichen.de Kühlmittel entstehen. Die Verbindung der einzelnen Hülsen untereinander kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es können beispielsweise die Abstandhalter 5 mit beiden benachbarten Rohrhülsen verschweißt werden, oder es können Längsanker in Form von Drähten, Brennstoffelement für KernreaktorenThe nuclear fuel 1 is arranged between two conical tubular sleeves 2 and 3 pushed one on top of the other, which are tightly welded on the two end faces by the weld 4. The tube sleeves are expediently made of a neutron-permeable, corrosion-resistant material with the highest possible heat resistance. By nesting a larger number of sleeves, the entire fuel element shown in Fig. 2 is formed. Between the individual sleeves there are spacers 5, which can be designed as guide surfaces in such a way that annular channels are created for the coolant. The individual sleeves can be connected to one another in various ways. For example, the spacers 5 can be welded to both adjacent tubular sleeves, or longitudinal anchors in the form of wires, fuel elements for nuclear reactors

Anmelder:
Deutsche Babcock & Wilcox-Dampfkessel - Werke Aktien - Gesellscliaft, Oberhausen (Rhld.)., Duisburger Str. 375Applicant:
Deutsche Babcock & Wilcox steam boiler - Werke Aktien - Gesellscliaft, Oberhausen (Rhld.)., Duisburger Str. 375

Arno Müller, Oberhausen (Rhld.),
ist als Erfinder genannt wordenArno Müller, Oberhausen (Rhld.),
has been named as the inventor

Rippen oder Stangen verwendet werden, die dann< entweder mit allen Hülsen oder auch nur mit einem Teil, gegebenenfalls nur mit den beiden äußersten Hülsen, fest verbunden sind. Bei bestimmten. Betriebsbedingungen kann auch auf eine feste Verbindung der Teilelemente ganz verzichtet werden.Ribs or rods are used, which then <either with all the sleeves or only with a part, if necessary only with the two outermost sleeves, are firmly connected. With certain. Operating conditions a fixed connection of the sub-elements can also be dispensed with entirely.

Das Kühlmittel tritt, wie es in Abb. 1 durch den Pfeil 6 gezeigt ist, in das Brennstoffelement ein, durchströmt dann die durch die Abstandhalter 5 zwischen den Hülsen gebildeten Spalten in Richtung der Pfeile 7, wobei es die in den Hülsen gebildete Wärme aufnimmt, und strömt dann über den Ringraum 8, der beispielsweise durch eine Bohrung im Graphitkern gebildet sein kann, in Richtung der Pfeile 9 ab. Falls es aus bestimmten Gründen zweckmäßig sein sollte, kann das Kühlmittel auch in entgegengesetzter Richtung geleitet werden, so daß es in Richtung der umgekehrten Pfeile 9 ein- und des Pfeiles 6 austritt.The coolant enters the fuel element, as shown in Fig. 1 by arrow 6 , then flows through the gaps formed by spacers 5 between the sleeves in the direction of arrows 7, absorbing the heat formed in the sleeves, and then flows through the annular space 8, which can be formed, for example, by a bore in the graphite core, in the direction of the arrows 9 . If it should be appropriate for certain reasons, the coolant can also be directed in the opposite direction, so that it enters in the direction of the reversed arrows 9 and exits the arrow 6.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffelemente ist einfach, da als Ausgangsprodukt für die Rohrhülsen 2 und 3 dünnwandige konische Rohre Verwendung finden. Die konische Erweiterung geschieht mittels eines passenden Dornes. Damit die Rohre auch nach der Verformung noch eine gleichmäßige Wandlstärke haben, können sie entsprechend nachgearbeitet oder vor dem Aufweiten auf eine entsprechend ungleichförmige Wandstärke gebracht werden. Bei Verwendung des Kernbrennstoffes in metallischer Form wird dieser in gleicher Weise bearbeitet. Sodann werden die drei konischen Rohrhülsen, gegebenenfallsThe production of the fuel elements according to the invention is simple, since thin-walled conical tubes are used as the starting product for the tube sleeves 2 and 3. The conical enlargement is done by means of a suitable mandrel. Thus, the pipes have l strength even after the deformation nor a uniform wall, they may be reworked according to or placed in front of the widening corresponding to a non-uniform wall thickness. If the nuclear fuel is used in metallic form, it is processed in the same way. Then the three conical pipe sleeves, if necessary

809 767/417809 767/417

Claims (15)

1051 unter Wärme- und Schrumpfeinwirkung, übereinandergepreßt. Die Schutzhülse des Kernbrennstoffes 1 ist etwas kürzer gehalten, so daß die Rohrhülsen 2 und 3 etwas überstehen und an den Stirnkanten 4 dicht miteinander verschweißt werden können, ohne daß Teile des Brennstoffes 1 in das Schweißgut gelangen. Zur besseren Wärmeübertragung und zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit können auch die konischen Berührungsflächen der einzelnen Hülsen 2 und 3 miteinander verlötet werden. Auch bei Verwendung des Kernbrennstoffes in nichtmetallischer Form, wie beispielsweise als Uranoxyd oder Urancarbid, können die gleiche Konstruktion und das gleiche Herstellungsverfahren Anwendung finden. Der Brennstoff wird dann auf die innere oder/und äußere Hülse aufgetragen. Danach werden die Hülsen zusammengepreßt. Um eine bessere Haftung des Brennstoffes mit den mit dem Brennstoff in Berührung stehenden Hülsenflächen zu erzielen, kann, die Hülsenfläche mit Vertiefungen versehen sein, oder es kann ein geeignetes Bindemittel verwendet werden, welches nach dem Zusammenpressen und vor dem Verschweißen der Stirnflächen auch wieder ausgetrieben werden kann. Xeben diesem Verfahren sind noch weitere, an sich bekannte Methoden für das Einbringen des nichtmetallischen Kernbrennstoffes in den Spalt zwischen den beiden Hülsen anwendbar. So ist es möglich, die beiden Hülsen zunächst ohne Brennstoff so ineinanderzustecken und zu zentrieren, daß ein etwas größerer Spalt als erforderlich entsteht, der dann mit Brennstoff gefüllt wird, und schließlich die beiden Hülsen bis zur endgültigen Lage übereinandergeschoben werden und dadurch den Brennstoff verspannen. Falls es die Betriebsbedingungen erfordern, kann auch der metallische oder nichtmetallische Brennstoff ungleichförmig, beispielsweise in Form von einzelnen Feldern, Streifen oder in Form einer umlaufenden Spirale, zwischen die beiden Hülsen eingebracht werden. Dabei ergibt sich dann die Möglichkeit, die beiden Hülsen auch innerhalb der Mantelflächen miteinander unmittelbar durch Löten oder Schweißen zu verbinden. Beim Verschweißen ist dann allerdings eine Demontage nicht mehr ohne weiteres möglich, so daß sich eine solche Befestigung nur für Elemente eignen wird, die nicht mehr aufgearbeitet werden sollen. Für den Fall, daß die Brennstoffelemente nach .der Benutzung jedoch wieder aufgearbeitet werden sollen, ist die Trennung von Brennstoff und Hülsen in allen anderen Fällen verhältnismäßig einfach, da dann lediglieh die beiden stirnseitigen Schweißnähte abzufräsen sind und die Hülsen, gegebenenfalls nach vorheriger Erwärmung, voneinander abgezogen werden können. Den Einbau des Brennstoffelementes in einen Kühlkanal des Reaktors sowie die Gestaltung der beiden Enden ist in Abb. 2 gezeigt. Dabei strömt das Kühlmittel außen in Richtung der Pfeile 9 in den Kühlkanal und teilweise auch nach dem Inneren der Brennstoffelemente. Das aus den ineinandergesteckten konischen Rohren bestehende eigentliche Brennstoffelement ist an dem einen Ende mit einem rohrförmigen Stutzen 10 und am anderen Ende mit einer Kappe oder einem Deckel 11 versehen. Dadurch ist der Innenraum des Elementes nur durch den Stutzen 10 zugänglich. Bei gleicher Brennstoffanordnung in den einzelnen Teilelementen entspricht die Wärmeerzeugung in diesen Teilelementen der Flußverteilung des Reaktors. Dadurch entstehen bei gleich großen Kühlmittelmengen in den einzelnen Spalten unterschiedliche Austrittstemperaturen. 424 Um diesen Nachteil zu beheben, können entweder unterschiedliche Spaltstoffkonzentrationen in den einzelnen Teilelementen vorgesehen werden oder aber unterschiedliche Spaltweiten bei gleicher Spaltstoffkonzentration zwischen den einzelnen Teilelementen angeordnet werden. Dadurch werden unterschiedliche Austrittstemperaturen vermieden. Um eine Zirkulationsströmung durch das Brennstoffelement zu erzielen, ist es auch möglich, die einzelnen Hülsen azentrisch ineinanderzufügen in der Weise, daß sich eine wendeiförmige Strömung in das Brennstoffelement oder aus diesem ergibt, oder auch den Abstandhalter 5 in Form von spiralenförmig fortlaufenden Drähten zwischen den Hülsen anzuordnen. Patentansprüche:1051 under the influence of heat and shrinkage, pressed one on top of the other. The protective sleeve of the nuclear fuel 1 is kept somewhat shorter so that the tubular sleeves 2 and 3 protrude somewhat and can be welded together tightly at the end edges 4 without parts of the fuel 1 getting into the weld metal. For better heat transfer and to increase the mechanical strength, the conical contact surfaces of the individual sleeves 2 and 3 can also be soldered to one another. Even when using the nuclear fuel in non-metallic form, such as uranium oxide or uranium carbide, the same construction and the same manufacturing process can be used. The fuel is then applied to the inner and / or outer sleeve. Then the sleeves are pressed together. In order to achieve better adhesion of the fuel to the sleeve surfaces in contact with the fuel, the sleeve surface can be provided with depressions, or a suitable binding agent can be used, which is also driven out again after the compression and before the welding of the end surfaces can. In addition to this method, other methods known per se can be used for introducing the non-metallic nuclear fuel into the gap between the two sleeves. So it is possible to first insert the two sleeves into one another and center them without fuel so that a slightly larger gap than necessary is created, which is then filled with fuel, and finally the two sleeves are pushed over one another until they are in their final position, thereby tensioning the fuel. If the operating conditions so require, the metallic or non-metallic fuel can also be introduced non-uniformly, for example in the form of individual fields, strips or in the form of a revolving spiral, between the two sleeves. There is then the possibility of connecting the two sleeves to one another directly within the jacket surfaces by soldering or welding. When welding, however, dismantling is no longer easily possible, so that such a fastening is only suitable for elements that are no longer to be refurbished. In the event that the fuel elements are to be reconditioned after use, however, the separation of fuel and sleeves is relatively easy in all other cases, since then only the two end-face welds have to be milled off and the sleeves from each other, possibly after prior heating can be deducted. The installation of the fuel element in a cooling channel of the reactor and the design of the two ends is shown in Fig. 2. The coolant flows outside in the direction of arrows 9 into the cooling channel and partly also to the inside of the fuel elements. The actual fuel element consisting of the nested conical tubes is provided at one end with a tubular connector 10 and at the other end with a cap or cover 11. As a result, the interior of the element is only accessible through the connecting piece 10. With the same fuel arrangement in the individual sub-elements, the heat generation in these sub-elements corresponds to the flow distribution of the reactor. This results in different outlet temperatures in the individual columns with the same amount of coolant. In order to remedy this disadvantage, either different concentrations of fissile material can be provided in the individual sub-elements or different gap widths can be arranged between the individual sub-elements with the same concentration of fissile material. This avoids different outlet temperatures. In order to achieve a circulating flow through the fuel element, it is also possible to fit the individual sleeves acentrically into one another in such a way that a helical flow into or out of the fuel element results, or also the spacer 5 in the form of spirally continuous wires between the sleeves to arrange. Patent claims: 1. Aus zwei oder mehr Teilelementen bestehendes Brennstoffelement für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilelement aus einer konischen Hülse besteht, die zentrisch oder azen^ trisch in die nächstfolgende Hülse einfügbar ist und dabei einen Spalt für den Kühlmitteldurchtri'tt zwischen den benachbarten Teilen beider Hülsen frei läßt.1. Fuel element for nuclear reactors consisting of two or more sub-elements, thereby characterized in that each sub-element consists of a conical sleeve that is centric or azen ^ trisch can be inserted into the next following sleeve and thereby a gap for the coolant penetration leaves free between the adjacent parts of both sleeves. 2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilelement aus zwei übereinandergesteckten Hülsen besteht, zwischen denen der Brennstoff angeordnet ist.2. Fuel element according to claim 1, characterized in that each sub-element consists of two there is stacked sleeves, between which the fuel is arranged. 3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen an den Stirnflächen miteinander verschweißt oder verlötet sind.3. Fuel element according to claim 2, characterized in that the sleeves on the end faces are welded or soldered together. 4. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zwischen denHülsen ineiner zusammenhängenden Fläche angeordnet ist.4. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the Fuel is disposed between the sleeves in a contiguous area. 5. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zwischen den Hülsen in einzelnen Feldern, Streifen, Ringen oder schraubenförmig angeordnet ist.5. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the Fuel arranged between the pods in individual fields, strips, rings or helically is. 6. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die am Brennstoff anliegenden Oberflächen der Hülsen mit Nocken, Sicken, Vertiefungen od. dgl. versehen sind.6. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the am The surfaces of the sleeves resting on the fuel are provided with cams, beads, depressions or the like are. 7. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen mit dem Brennstoff an den Berührungsflächen verlötet sind.7. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the Sleeves are soldered to the fuel on the contact surfaces. 8. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hülsen innerhalb der Mantelflächen miteinander verlötet oder verschweißt sind.8. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the the two sleeves are soldered or welded to one another within the lateral surfaces. 9. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Brennstoffelemente an dem Ende mit dem größeren Durchmesser mit einem Deckel oder einer Kappe ausgerüstet sind.9. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the composite Fuel elements are equipped with a lid or cap at the end with the larger diameter. 10. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsquerschnitte für das Kühlmittel zwischen den einzelnen Hülsen entsprechend der unterschiedlichen Wärmeentwicklung über die Länge des Brennstoffelementes verschieden groß sind.10. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the passage cross-sections for the coolant between the individual sleeves according to the different heat generation over the length of the fuel element of different sizes are. 11. Brennstoffelement nach Anspruch. 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen außen und/oder innen auf einem Teil11. Fuel element according to claim. 1 and one of the following, characterized in that the sleeves outside and / or inside on a part •oder ihrer gesamten. Oberfläche Längs-, Quer- oder anders geformte Rippen, Rauten oder Kannelüren aufweisen.• or all of them. Surface lengthways, crossways or other shaped ribs, rhombuses or fluting exhibit. 12. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen derart azentrisch zusammengefügt sind, daß sich über die Länge des Brennstoffelementes ein wendeiförmiger Durchtritt für das Kühlmittel ergibt.12. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that the sleeves are joined together eccentrically that extends over the length of the fuel element results in a helical passage for the coolant. 13. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß13. Fuel element according to claim 1 and one of the following, characterized in that die Abstandhalter zwischen den einzelnen Hülsen als Lenk- oder Leitflächen ausgebildet sind.the spacers between the individual sleeves are designed as steering or guide surfaces. 14. Brennstoffelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter einer Hülse in Vertiefungen oder Aussparungen der anderen Hülse zum Zwecke einer Verankerung eingreifen. 14. Fuel element according to claim 13, characterized in that the spacers one Engage the sleeve in recesses or recesses in the other sleeve for the purpose of anchoring. 15. Brennstoffelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Stutzen und der Deckel durch Verankerungsmittel miteinander verbunden sind.15. Fuel element according to claim 9, characterized in that the tubular connecting piece and the lid are connected to one another by anchoring means. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings ©· 809 767/417 2.59© 809 767/417 2.59
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3119747A (en) * 1960-06-08 1964-01-28 Gen Dynamics Corp Fuel element
DE1201928B (en) * 1959-05-13 1965-09-30 Andre Huet Nuclear reactor fuel element

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