DE1163990B

DE1163990B - Nuclear reactor fuel element

Info

Publication number: DE1163990B
Application number: DEU6946A
Authority: DE
Inventors: John Keith Davidson
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1959-03-27
Filing date: 1960-03-02
Publication date: 1964-02-27
Also published as: NL249843A; US3111475A; BE587917A; FR1248261A; GB921019A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: G 21 Boarding school Class: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/20 German classes : 21g -21/20

Nummer: 1163 990Number: 1163 990

Aktenzeichen: U 6946 VIII c / 21gFile number: U 6946 VIII c / 21g

Anmeldetag: 2. März 1960Filing date: March 2, 1960

Auslegetag: 27. Februar 1964Opening day: February 27, 1964

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für gasgekühlte Hochtemperaiurreaktoren, bei dem der Spaltstoff sich mit oder ohne metallische Umhüllung in einem mit Rippen versehenen Graphithohlzylinder befindet, der an beiden Enden mittels Endkappen so abgeschlossen ist, daß der Spaltstoff sich in Achsenrichtung des Zylinders ausdehnen kann.The invention relates to a fuel element for gas-cooled high-temperature reactors in which the Fissile material, with or without a metallic cover, is contained in a ribbed graphite hollow cylinder is located, which is closed at both ends by means of end caps so that the fissile material is in the axial direction of the cylinder can expand.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Verbesserung von gasgekühlten Reaktoren, wie sie beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 708 656, in »Nuclear Engineering« vom 1. Oktober 1956, S. 266 bis 303, und in dem Bericht »Gas Cooled Power Reactors, Comparison of Optimum Natural Uranium Nuclear Power Plant and Optimum Enriched Uranium Nuclear Power Plant« Report Nr. 58-19-RE, August 1958, der US Atomic Energy Commission, IDO-24026, August 1958, beschrieben sind.The invention particularly relates to an improvement in gas-cooled reactors such as them for example in US Pat. No. 2,708,656, in "Nuclear Engineering" of October 1, 1956, Pp. 266-303, and in the report "Gas Cooled Power Reactors, Comparison of Optimum Natural Uranium Nuclear Power Plant and Optimum Enriched Uranium Nuclear Power Plant «Report No. 58-19-RE, August 1958, of the US Atomic Energy Commission, IDO-24026, August 1958 are.

Gasgekühlte Kernreaktoren dieser Art arbeiten mit einem geringeren Nutzeffekt als vergleichsweise moderne Dampfkraftanlagen. Theoretisch können diese Reaktoren konkurrenzfähiger gemacht werden, wenn sie bei höheren Temperaturen arbeiten würden. Nun ist aber die oberste Temperaturgrenze bei natürlichem Uranmetallbrennstoff ungefähr 649°, das ist die Temperatur, bei der im Uranmetall eine Phasentransformation stattfindet. Die optimale Oberflächentemperatur eines Brennstoffelements, bestehend aus einem zylindrischen Stab mit oder ohneGas-cooled nuclear reactors of this type work with a lower efficiency than comparatively modern steam power plants. In theory, these reactors can be made more competitive if they would work at higher temperatures. But now the upper temperature limit is at natural uranium metal fuel about 649 °, that is the temperature at which one in uranium metal Phase transformation takes place. The optimal surface temperature a fuel element consisting of a cylindrical rod with or without

Kernreaktor-BrennstoffelementNuclear reactor fuel element

Anmelder:Applicant:

United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V. St. A.)United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt, München 27, Pienzenauer Str. 28Dr.-Ing. W. Abitz, patent attorney, Munich 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

John Keith Davidson, Wheaton, Md. (V. St. A.)John Keith Davidson, Wheaton, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 27. März 1959V. St. v. America March 27, 1959

(Nr. 802 587)(No. 802 587)

Brennstoffelement besteht, das bei einer Temperatur 25 arbeitet, die über jener liegt, bei der die herkömmliehen Verkleidungsmaterialien, wie Magnesiumlegierungen, Beryllium, rostfreier Stahl usw., Gefahr laufen, strukturell zusammenzubrechen. Offensichtlieh muß jede Verbesserung die nötige Struktur-Rippen, ist auf etwa 482° C begrenzt. Diese Be- 30 mäßige Festigkeit durch die Verwendung von strukschränkung ist gegeben durch die Wärmeübergangs- turell stärkeren Materialien ermöglichen. Das Mateeigenschaften des Uranstabes, die gewöhnlichen Be- rial muß nicht nur einen Bruch der regulären Umtriebsverhältnisse, z. B. Gasdruck und Gasströmung, hüllung verhüten, falls eine solche benutzt wird, und dadurch, daß bei dieser Temperatur die Magne- sondern muß eine Bauweise ermöglichen, die die siumlegierung, die zum Verkleiden der Stäbe ver- 35 dimensioneile Unstabilität, die durch die Ausdehwendet wird, versagt. Es ist festgestellt worden, daß nung des Brennstoffs herbeigeführt wird, verhütet, die optimale Gastemperatur weniger als 371° C Abhängig von dem Temperaturbereich und der beträgt. Selbst bei Verwendung einer mit Spaltstoff Wärmeleistung muß auch für eine geeignete therangereicherten Keramik oder eines Oxyds des mische Verbindung der Komponenten des Brenn-Uranbrennstoffs sind die aufgezeigten Beschränkun- 40 Stoffelements bei höheren Temperaturen gesorgt gen, solange dieselbe Magnesiumlegierung oder ein werden, sowie dafür, daß genügend Oberfläche dem ähnliches Material zum Umkleiden des Brennstoffs Gaskühlmittel dargeboten wird, um die im Brennverwendet werden, gegeben. Selbst wenn rostfreier Stoffelement erzeugte Wärme abführen zu können. Stahl zum Umkleiden von Urandioxydbrennstoff be- Man muß auch bedenken, daß der Brennstoff gasnutzt wird, wird der Vorteil der bei Urandioxyd 45 förmige Spaltprodukte enthält. Es wäre am besten, möglichen höheren Temperaturen nicht voll wahr- wenn das Brennstoffelement bei Temperaturen naheFuel element is that operates at a temperature 25 higher than that at which the conventional Facing materials, such as magnesium alloys, beryllium, stainless steel, etc., hazard run to break down structurally. Obviously Any improvement must have the necessary structure ribs, is limited to about 482 ° C. This moderate strength through the use of structural restriction is given by the heat transfer turally stronger materials allow. The mate properties of the uranium rod, the ordinary material must not only be a break in the regular rotation z. B. Gas pressure and gas flow, prevent wrapping, if such is used, and in that at this temperature the magnetic but must allow a construction that the sium alloy, which is used to clad the bars. 35 dimensional instability caused by the expansion will fail. It has been established that the fuel is brought about, prevents the optimal gas temperature is less than 371 ° C depending on the temperature range and the amounts to. Even when using a thermal power with fissile material must also be used for a suitable therenriched Ceramic or an oxide of the mixed compound of the components of the fuel uranium fuel the restrictions shown are taken care of at higher temperatures gen, as long as the same magnesium alloy or one, as well as that there is enough surface for the Similar material for encasing the fuel gas coolant is presented to the one used in the combustion are given. To be able to dissipate heat generated even if the rustproof fabric element is used. Steel used to encase uranium dioxide fuel. It must also be remembered that the fuel is used as gas, the advantage of which is that uranium dioxide contains 45-shaped fission products. It would be best, possible higher temperatures not fully true- if the fuel element is at temperatures close to

genommen, da rostfreier Stahl zum Erhitzen von Kühlgasen nur bis etwa 538° C und nicht bis zu der höheren, günstigeren Maximaltemperatur des Oxydelements benutzt werden kann.taken as stainless steel for heating cooling gases only up to about 538 ° C and not up to higher, more favorable maximum temperature of the oxide element can be used.

Aus dem Vorhergegangenen wird leicht ersichtlich, daß die Forderung nach einem gasgekühltenFrom the foregoing it is readily apparent that the requirement for a gas-cooled

dem Schmelzpunkt oder bei der Temperatur des strukturellen Versagens des gewählten Brennstoffs verwendbar wäre.the melting point or structural failure temperature of the chosen fuel would be usable.

Es ist bereits ein Brennstoffstab bekannt, der von einer mit in Längsrichtung verlaufenden Rippen versehenen Graphithülle umschlossen ist. Ferner sindIt is already known a fuel rod, which is provided with a longitudinally extending ribs Graphite shell is enclosed. Furthermore are

409 510/406409 510/406

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Brennelemente bekannt, bei denen der Spaltstoff sich äußeren Graphithülsen, die zum Teil in Kanäle amFuel assemblies known in which the fissile material is outer graphite sleeves, which are partly in channels on

in einem Hohlzylinder aus naturreinem Graphit be- oberen Ende eines Abschnittes eines gasgekühltenin a hollow cylinder made of naturally pure graphite at the upper end of a section of a gas-cooled

findet und bei denen der zylindrische Innenraum des Reaktors eingelassen sind;finds and in which the cylindrical interior of the reactor are let into;

Graphithohlzylinders an beiden Enden durch End- Fig. 4 ist ein Longitudinalquerschnitt einesGraphite hollow cylinder at both ends through end- Fig. 4 is a longitudinal cross-section of a

kappen abgeschlossen ist. Diese bekannten Kern- 5 Brennstoffelements nach der Erfindung, geschnittencaps is complete. This known core 5 fuel element according to the invention, cut

brennstoffelemente sind für die Verwendung in nach der Linie 4-4 von Fig. 2;Fuel elements are for use in on line 4-4 of Figure 2;

Kernreaktoren unter bestimmten Voraussetzungen F i g. 5 ist ein Transversalquerschnitt eines Brenn-Nuclear reactors under certain conditions F i g. 5 is a transverse cross-section of a focal

zwar geeignet, es wird jedoch mit diesen bekannten Stoffelements nach der Erfindung, geschnitten nachalthough suitable, it is cut with these known fabric elements according to the invention

Anordnungen das der Erfindung zugrunde liegende der Linie 5-5 von F i g. 4;Arrangements that the invention is based on the line 5-5 of F i g. 4;

Problem, nämlich die Herstellung eines leistungs- io F i g. 6 ist ein Transversalquerschnitt, der einenProblem, namely the production of a performance io F i g. 6 is a transverse cross section showing a

fähigen Brennstoffelements für Hochtemperatur- festen Brennstoffstab in dem Graphitbehälter ohnecapable fuel element for high temperature solid fuel rod in the graphite container without

Gasreaktoren, das gute Wärmeübertragungseigen- eine Hülle um den Brennstoffstab zeigt, undGas reactors showing good heat transfer properties around the fuel rod, and

schäften und zugleich eine hohe Festigkeit besitzt, Fig. 7 ist ein Longitudinalquerschnitt einesshafts and at the same time has a high strength, Fig. 7 is a longitudinal cross-section of a

um die durch die Spaltstoffstäbe ausgeübten Drucke röhrenförmigen Brennstoffelements, der den Zwi-around the pressures exerted by the fissile rods of the tubular fuel element, which

in radialer Richtung aufzunehmen, nicht gelöst. 15 schenraum zwischen dem Brennstoffstab und dentake up in the radial direction, not solved. 15 space between the fuel rod and the

Da Graphit hinsichtlich seiner strukturellen oberen und unteren Graphitstöpseln zeigt. Eigenschaften einen Teil der obengenannten Bedin- Die F i g. 1 bis 5 und besonders F i g. 4 und 5 gungen in idealer Weise erfüllt, besteht die Aufgabe zeigen ein Brennstoffelement 11, das im allgemeinen der Erfindung insbesondere darin, einen Träger- einen länglichen, röhrenförmigen Spaltmaterialstab bauteil aus Graphit zu schaffen, der einen Brennstoff- 20 12 umfaßt, der mit einer zylindrischen Hülle 13 verstab bei hoher Temperatur in Form hält und der die kleidet ist. Der verkleidete Stab paßt bequem in im Stab erzeugte Wärme zu einem angrenzenden einen äußeren Graphitbehälter 14, der eine innere Kühlgasdurchlaß in optimaler Weise fortleitet. Dabei Hülse 16 enthält und eine äußere konzentrische ist zu berücksichtigen, daß eine gute Wärme- Graphitröhre 17, die mit der Hülse 16 durch mehableitung, eine möglichst dünne Trennwand zwischen 25 rere längsverlaufende radiale Rippen 18 verbunden dem die Wärme erzeugenden Spaltstoff und dem ist. Eingelassene Graphitendstöpsel sind zusätzlich Kühlmedium bedingt, was an und für sich gegen die noch in der Hülse 16 vorgesehen, um den verkleide-Verwendung von Graphit spricht. Die Festigkeits- ten Brennstoffstab in seiner Lage festzuhalten und anforderungen, die gestellt werden, erfüllen die um gasförmige Spaltprodukte zurückzuhalten, was obengenannten bekannten Bauelemente nicht. Auch 30 im folgenden noch ausgeführt wird. Ein kleiner die bekannten Graphitzylinder, welche Spaltstoff- Zwischenraum 21 wird am oberen und unteren Ende elemente umgeben, und in Radialebenen verlaufende der Hülle 13 frei gelassen, wie in F i g. 4 ersichtlich Kühlrippen besitzen, genügen ebenfalls den genann- ist, und zwar zwischen dem Stab 12 und den Enden ten Festigkeitsanforderungen nicht. 22 und 23 der Hülle 13. Jede beliebige herkömm-Es sind weiter Hülsen aus Beryllium und Beryl- 35 liehe Brennstoffhülle kann benutzt werden, wie im liumlegierungen sowie Magnesiumlegierungen mit in folgenden ausgeführt wird. Wahlweise kann die Hülle Längsrichtung verlaufenden Rippen bekannt. Diese 13 von Stab 24 (s. Fig. 7) weggelassen werden, bekannten Bauteile erfüllen die Anforderungen, die wenn die innere Graphithülse 16 und die Stöpsel 19 an die Temperaturfestigkeit gestellt werden, in keiner dick genug sind, um gasförmige Spaltprodukte Weise. 40 zurückzuhalten. In diesem Fall sind zwischen dem Die obengenannten Aufgaben werden mit dem Stab 24 und den Kappen 19 Zwischenräume, um Brennstoffelement nach der Erfindung dadurch ge- eine Längsausdehnung zu ermöglichen. Die inneren löst, daß konzentrisch und im Abstand von dem den und äußeren Graphitröhren 16 und 17 bilden mit Spaltstoffstab umgebenden Graphithohlzylinder ein den Rippen 18 ein Ganzes; der ganze Graphitzweiter Hohlzylinder aus Graphit angeordnet ist und 45 behälter kann hergestellt werden durch Einnuten die beiden Graphithohlzylinder durch Längsrippen und Einkitten der Rippen, aber vorzugsweise wird starr zu einer Baueinheit miteinander verbunden das Graphitstück durch Strangpressen hergestellt als sind. Hierdurch wird bei höheren Temperaturen die ganzes Stück aus Rohgemisch, wie man es in die-Formänderung des Brennstoffs auf die Längsausdeh- sem Zweig der Technik macht, nung beschränkt, da der starre Graphitformkörper 50 Bei der praktischen Anwendung der Erfindung nicht nur einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, können beliebige herkömmliche Brennstoffmatesondern auch eine höhere strukturelle Widerstands- rialien benutzt werden, wie sie jetzt allgemein fähigkeit bei hohen Temperaturen aufweist als das für Kernreaktoren verwendet werden. Brennstoff-Brennstoffelement, elemente, die metallisches Uran oder metallische An Hand der Figuren wird die Erfindung bei- 55 Uranlegierungen enthalten, werden besonders vorspielsweise näher erläutert. teilhaft angewandt, da die Oberflächentemperaturen F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht, zum Teil und die Temperaturen des gasförmigen Kühlmittels aufgebrochen, die mehrere Brennstoffelemente nach den tatsächlichen Temperaturen im Inneren des der Erfindung zeigt, die an ihren unteren Enden Brennstoffelements viel näher kommen können, als von einem Armkreuz gehalten werden und die zum 60 es zur Zeit möglich ist, wie im Vorausgegangenen Teil in ein äußeres Graphitgehäuse eingelassen sind; bereits gezeigt wurde. Bei Urandioxyd und anderen F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Brenn- keramischen Hochtemperaturbrennstoffen, die gestoffelemente nach der Erfindung, die an ihren wohnlich mit rostfreiem Stahl verkleidet werden, oberen Enden von einem Armkreuz zusammen- erlauben die hohe Zugfestigkeit des Graphits bei gehalten werden und die zum Teil in ein äußeres 65 höheren Temperaturen und die ausgezeichneten Graphitgehäuse eingelassen sind; Wärmeleitungseigenschaften des Graphits eine Nutz-F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht von meh- barmachung dieser Brennstoffe bei ihren höchstmögreren Brennstoffelementen nach der Erfindung in liehen Temperaturen. Nur nuklearreiner GraphitAs graphite shows in terms of its structural top and bottom graphite plugs. Properties a part of the above-mentioned conditions. 1 to 5 and especially FIG. 4 and 5 conditions met in an ideal manner, the object is to show a fuel element 11, which in general of the invention in particular in a support - an elongated, tubular fissile material rod To create a component made of graphite, which comprises a fuel 20 12, which verstab with a cylindrical shell 13 keeps in shape at high temperatures and who is the one who dresses. The paneled bar fits comfortably in in the rod generated heat to an adjacent an outer graphite container 14, which is an inner Forwarding cooling gas passage in an optimal manner. It contains sleeve 16 and an outer concentric it must be taken into account that a good heat graphite tube 17, which is connected to the sleeve 16 by a partition that is as thin as possible is connected between 25 rere longitudinal radial ribs 18 the fissile material generating the heat and the. Recessed graphite end caps are additional Cooling medium requires what in and of itself is still provided in the sleeve 16 in order to use the disguise speaks of graphite. To hold the firmest fuel rod in place and requirements that are made meet those in order to hold back gaseous fission products, what above known components not. 30 will also be discussed below. A little the known graphite cylinder, which gap 21 is at the top and bottom Elements surrounded, and extending in radial planes of the shell 13 is left free, as in F i g. 4 can be seen Having cooling fins also suffice as mentioned, namely between the rod 12 and the ends ten strength requirements are not. 22 and 23 of sheath 13. Any conventional es are further sleeves made of beryllium and beryl- 35 borrowed fuel cladding can be used, as in lium alloys as well as magnesium alloys with is carried out in the following. Optionally, the cover Longitudinal ribs known. These 13 of rod 24 (see Fig. 7) can be omitted, known components meet the requirements when the inner graphite sleeve 16 and the plug 19 to the temperature resistance, in none are thick enough to produce gaseous fission products Way. 40 withhold. In this case, there are gaps between the above tasks with the rod 24 and the caps 19 Fuel element according to the invention thereby enabling a longitudinal expansion. The inner ones solves that concentric and at a distance from the and outer graphite tubes 16 and 17 form with Fissile material rod surrounding graphite hollow cylinder a the ribs 18 as a whole; the whole graphite further Hollow cylinder made of graphite is arranged and the container can be made by grooving the two graphite hollow cylinders by longitudinal ribs and cementing of the ribs, but preferably rigidly connected to one another as a structural unit, the piece of graphite produced by extrusion are. As a result, at higher temperatures, the whole piece is made from raw mixture, as it is in the shape change of the fuel to the longitudinal extension of the branch of technology makes it limited, since the rigid graphite molded body 50 in the practical application of the invention not only a low coefficient of expansion, but any conventional fuel mat higher structural resistance materials can also be used, as they are now generally used Ability to operate at high temperatures than that used for nuclear reactors. Fuel-fuel element, elements that contain metallic uranium or metallic uranium alloys, the invention will be particularly exemplary explained in more detail. partly applied because the surface temperatures F i g. Fig. 1 is a perspective view, in part, of the temperatures of the gaseous refrigerant broken up the several fuel elements according to the actual temperatures inside the of the invention shows that at their lower ends fuel element can come much closer than be held by a spider and it is currently possible to 60, as in the preceding Part are embedded in an outer graphite housing; has already been shown. With uranium dioxide and others F i g. Fig. 2 is a perspective view of the high temperature fuel ceramic fuels, the fabric members according to the invention, which are clad comfortably with stainless steel, The upper ends of a spider together allow the high tensile strength of the graphite are kept and some in an external 65 higher temperatures and the excellent Graphite housing are embedded; Thermal conductivity properties of graphite a useful F. i g. Figure 3 is a perspective view of the fermentation of these fuels at their largest possible Fuel elements according to the invention in borrowed temperatures. Nuclear pure graphite only

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wird in den bevorzugten Ausführungsformen benutzt, ist, müssen Vorkehrungen getroffen werden für eine so daß die Neutronenökonomie begünstigt wird und lösbare, feste Verbindung, z. B. durch Verstemmen, das Moderiervermögen des Graphits voll wahr- Verkeilen oder Verschweißen. Mehrere Brennstoffgenommen wird. elemente 11 werden vom oberen und unteren Arm-Die Brennstoffstäbe werden zylindrisch, röhren- 5 kreuz 37 und 36 longitudinal in einem Graphitförmig oder in anderen länglichen Formen durch gehäuse 38 festgehalten, die Arme 39 des oberen Strangpressen, Metallbearbeitung oder andere be- Armkreuzes 37 liegen dabei auf den Wänden des kannte Verfahren hergestellt. Vorzugsweise ist der Gehäuses 38. Das Gehäuse 38 ist aus Graphit oder Brennstoffstab verkleidet, wie es herkömmlicherweise aus dem Moderatormaterial, das im Reaktor vergemacht wird. Die Röhrenform hat den Vorteil, daß io wendet wird; die Länge des Gehäuses 38 ist gleich sie eine Ausdehnung nach innen zuläßt. Kein Binde- oder annähernd gleich der Länge der Bennstoffmittel wird zwischen Hülle und Brennstoffstab ver- elemente. Es dient auch als Kühlmittelkanal, wenn es wendet, aber ein enger, mechanischer Sitz ist erfor- in das Reaktorherz 42 eingelassen wird. Auf den derlich. Die Hülle muß aus einem Material mit ge- Armspitzen 43 des oberen Armkreuzes 37 sind Stütringer Neutronenabsorption hergestellt sein, das mit 15 zen 41 angebracht, um die Belastung über einen beGraphit bei den gewählten Temperaturen nicht merk- trächtlichen Querschnitt des Gehäuses zu verteilen, lieh reagiert und das dazu noch chemisch inert Das untere Armkreuz 36 ist unbelastet, so daß ein gegenüber dem gasförmigen Kühlmittel, undurch- Druckpaßsitz der Armspitzen 46 in entsprechenden lässig für gasförmige Spaltprodukte und strukturell Schlitzen 47 in dem Gehäuse 38 ausreicht, stabil bei Temperaturänderungen bleiben sollte, ob- 20 Oberes und unteres Armkreuz sind in der Mitte wohl keine hohe Festigkeit erforderlich ist. Zum Bei- bei der Kreuzung der Arme mit einem Bohrloch 51 spiel werden die Hüllen aus Magnesiumlegierungen versehen, um einen Justier- oder Halterungsstab 52 entweder im gewöhnlichen Strangpreß- oder in einem hineinschieben zu können. Das untere Ende (nicht Stoßprozeßverfahren hergestellt. Der Stab wird in auf der Zeichnung zu sehen) des Halterungsstabes 52 die Hülle in einer Heliumatmosphäre eingebracht, 25 ist verbreitert, so daß mehrere Gehäuse 38 mit EIe- und die Endverschlüsse werden so gemacht, daß ein menten darin an dem Stab 52 aufgehängt werden und kleiner Zwischenraum zwischen dem Stab und den in das Herz 42 hineingelassen oder aus ihm heraus-Kappenenden frei bleibt. Die Hülle wird dann hydro- gehoben werden können. Es können andererseits statisch um den Brennstoffstab herumgepreßt, um einzelne Gehäuse mit einem Halterungsinstrument eine wärmeleitende mechanische Bindung zwischen 30 angehoben werden, ohne den Justierstab 52 zu bedem Uran und der Legierung zu bilden. Hüllen kön- wegen.is used in the preferred embodiments, provision must be made for one so that the neutron economy is favored and releasable, fixed connection, e.g. B. by caulking, the moderating ability of graphite is fully true - wedging or welding. Several fuel taken will. Elements 11 are from the upper and lower arms - The fuel rods will be cylindrical, tubular - 5 cross 37 and 36 longitudinally in a graphite shape or held in other elongated shapes by housing 38, the arms 39 of the upper Extrusion, metalworking or other loading cross braces 37 lie on the walls of the known processes. Preferably, the housing 38. The housing 38 is made of graphite or Fuel rod clad, as is conventionally done, from the moderator material that is made up in the reactor will. The tubular shape has the advantage that io is turned; the length of the housing 38 is the same it allows for an inward expansion. No binding or approximately equal to the length of the fuel is connected between the shell and the fuel rod. It also serves as a coolant duct when there is turns, but a tight, mechanical fit is required in which the reactor heart 42 is embedded. On the so. The cover must be made of a material with arm tips 43 of the upper arm cross 37 are Stütringer Neutron absorption must be made with 15 zen 41 attached to the load via a beGraphit to distribute the cross-section of the housing that is not noticeable at the selected temperatures, borrowed reacts and that is still chemically inert. The lower spider 36 is unloaded, so that a opposite the gaseous coolant, impenetrable pressure fit of the arm tips 46 in corresponding permissible for gaseous fission products and structurally sufficient slots 47 in the housing 38, Should remain stable with changes in temperature, even though the upper and lower crosses are in the middle probably no high strength is required. At the intersection of the arms with a borehole 51 The casings made of magnesium alloys are provided around an adjustment or holding rod 52 to be able to push it in either in the usual extrusion or in one. The lower end (not Impact process method produced. The rod can be seen in on the drawing) of the support rod 52 the shell placed in a helium atmosphere, 25 is widened so that several housings 38 with EIe- and the terminations are made to be hung by the rod 52 therein and small space between the rod and the cap ends allowed in or capped out of the heart 42 remains free. The envelope will then be able to be hydrolifted. It can on the other hand statically pressed around the fuel rod, around individual housings with a holding instrument a thermally conductive mechanical bond between 30 can be lifted without the adjustment rod 52 being operated To form uranium and the alloy. Sheaths can.

nen in ähnlicher Weise aus anderen Materialien, wie Ein mit einer Vielzahl der hier vorgeschlagenen Zirkonium, Beryllium, rostfreiem Stahl und Alu- Brennstoffelemente ausgerüsteter Reaktor wird mit minium, hergestellt werden. Andererseits ist keine einem ausgewählten Gas, z. B. Kohlendioxyd, Stick-Hülle über einem festen Stab 24 erforderlich, wo die 35 stoff oder Helium gekühlt, das unter Druck durch innere Graphithülse 16 dick und dicht genug ist, um die Kühlmittelkanäle, die die Elemente enthalten, eine Diffusion von Gasen in den Stab und aus ihm getrieben wird. Da kein nennenswerter Störungsheraus zu vermeiden und um die erforderliche zu- widerstand vorliegt, fließt das Gas im wesentlichen sätzliche Festigkeit, wenn der Stab nicht hohl ist, zu gleichmäßig in den Räumen 71 zwischen den Rippen gewährleisten. 40 und in dem Raum 72 zwischen den einzelnen EIe-Der umhüllte Brennstoffstab oder der Stab allein menten. Wenn die Brennstoffstäbe sich erhitzen, befindet sich zentral in einem Graphitbehälter 14. haben sie das Bestreben, sich auszudehnen und einen Der Behälter ist etwas länger als der Stab, um das durch Deformation verursachten Paßsitz mit den Einlassen von Graphit-Endkappen 19 zu ermög- Graphitbehälterelementen zu bilden. Bei höheren liehen, die festgekittet oder festgeschraubt werden. 45 Temperaturen, d. h. bei etwa 482° C bei einer Ma-Wenn keine Hülle benutzt wird, muß ein kleiner gnesiumlegierung und höher bei anderen Materialien, Zwischenraum zwischen den Stabenden und den laufen die Hüllen Gefahr, strukturell an Festigkeit Endkappen (s. F i g. 7) gelassen werden. Da ein dich- zu verlieren, und würden gewöhnlich deformiert werter, wärmeleitender Sitz zwischen Stab und Behälter den durch den sich ausdehnenden Brennstoff und wünschenswert ist, ist es praktisch, einen Schrumpf- 50 durch das Freiwerden von großen Mengen von sitz anzuwenden. Jedoch können andere Mittel zu- Spaltungsgasen, besonders wenn angereicherter friedenstellend sein, die eine schlechtere Bindung Brennstoff benutzt wird. Jedoch die inneren und schaffen; denn beim Erhitzen dehnt sich der Stab äußeren Graphitzylinder und die sie verbindenden aus und bildet so einen gut wärmeleitenden Sitz. Rippen stellen einen starren, auf Radialdruck bein der Praxis haben die Endstöpsel 19 an den 55 anspruchbaren Tragbauteil dar, der die Metallhülle Enden 31 und 32 des Brennstoffelements eine Paß- beinahe ganz bei ihrer ursprünglichen Form erhält; oder Verbindungsvorrichtung an deren äußerer Seite, eine Ausdehnung findet größtenteils nur longitudinal wodurch die Elemente in einem Kühlkanal des Re- in die Endzwischenräume und die zentrale Bohrung aktors festgehalten werden können. Offensichtlich 61 im Falle röhrenförmiger Stäbe statt. Eine Diffusion können diese Verbindungsvorrichtungen von ver- 60 von Gasen nach außen wird auch noch dadurch verschiedener Art sein. Jedoch wird in den bevorzugten hindert, daß der Kühlgasdruck normalerweise von Ausführungsformen von Fig. 1 und 2 ein Halte- derselben Größenordnung wie der Gasdruck der stumpf 33 am unteren Ende 32 gezeigt, der in eine Spaltprodukte ist. Die im Brennstoffelement entBohrung 34 in einem Graphit- oder Metallarmkreuz stehende Wärme wird durch die große Oberfläche paßt. Das obere Elementende 31 ist mit einem 65 des Graphitbauteiles leicht abgeleitet. Schnappsitz 35 versehen, der die Verbindung zu Da der Graphitbehälter 14 wirtschaftlich gesehen einem gezinkten Metallarmkreuz 37 herstellt. Da der günstig stranggepreßt werden kann, braucht er nicht Schnappsitz 35 in der gezeigten Ausführung belastet unbedingt am Ende der Abbrandperiode des Brenn-similarly made of other materials, such as A with a variety of those proposed here The reactor is equipped with zirconium, beryllium, stainless steel and aluminum fuel elements minium. On the other hand, none of a selected gas, e.g. B. carbon dioxide, stick cover Required about a solid rod 24, where the 35 cooled substance or helium, which is pressurized through inner graphite sleeve 16 is thick and tight enough to pass the coolant channels that contain the elements diffusion of gases into and out of the rod is driven. Since there was no noticeable disturbance to avoid and in order to have the necessary resistance, the gas essentially flows additional strength, if the rod is not hollow, too evenly in the spaces 71 between the ribs guarantee. 40 and in the space 72 between the individual eggs encased fuel rod or the rod alone. When the fuel rods heat up, is located in the center of a graphite container 14. They tend to expand and have a The container is slightly longer than the rod to allow for a snug fit caused by deformation with the Admitting graphite end caps 19 to allow graphite container elements to be formed. At higher borrowed, which are cemented or screwed on. 45 temperatures, d. H. at about 482 ° C at a Ma-Wenn no shell is used, a smaller magnesium alloy and higher for other materials, Space between the rod ends and the sheaths run the risk of structural strength End caps (see Fig. 7) are left. As a loosing you, and would ordinarily be deformed valued, heat-conducting seat between the rod and the container through the expanding fuel and is desirable, it is practical to achieve a shrinkage 50 by releasing large amounts of apply seat. However, other means of fission gases, especially when enriched be satisfactory that a poorer bond fuel is being used. However the inner and create; because when heated, the rod expands and the graphite cylinder connecting it and thus forms a seat that conducts heat well. Ribs create a rigid leg under radial pressure In practice, the end plugs 19 are attached to the 55 claimable supporting component, which is the metal shell Ends 31 and 32 of the fuel element fit almost entirely in their original shape; or connecting device on its outer side, an extension takes place mostly only longitudinally whereby the elements in a cooling channel of the Re- in the end spaces and the central bore actuator can be held. Obviously, 61 in the case of tubular bars. A diffusion Can these connecting devices be able to move from gases to the outside. This also makes them even more diverse Be kind. However, in the preferred, the cooling gas pressure is prevented from normally falling Embodiments of FIGS. 1 and 2 hold the same order of magnitude as the gas pressure of FIG butt 33 shown at the lower end 32, which is in a fission product. The drilling in the fuel element 34 Heat standing in a graphite or metal arm cross is generated by the large surface fits. The upper element end 31 is easily derived with a 65 of the graphite component. Snap seat 35 is provided, which connects to the graphite container 14 from an economic point of view a notched metal cross 37 produces. Since it can be extruded cheaply, it does not need to be Snap seat 35 in the embodiment shown is definitely loaded at the end of the burnout period of the combustion

Stoffs wieder benutzt zu werden. Die Brennstoffstäbe können sehr leicht entfernt werden, wenn man den Graphitbauteil zerstört. Doch der Graphit selbst wird durch den Gebrauch im Reaktor nicht merklich beschädigt. Falls gewünscht, können die Brennstoffstäbe aus dem Behälter herausgetrieben werden.Material to be used again. The fuel rods can be removed very easily if one destroys the graphite component. But the graphite itself is not noticeable through use in the reactor damaged. If desired, the fuel rods can be driven out of the container.

Während die Erfindung im Hinblick auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen dargelegt worden ist, wird es dem Fachmann ersichtlich sein, daß viele Abänderungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich sind.While the invention has been set forth in terms of several preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and modifications could be made within the scope of Invention are possible.

Claims

Patent claims:

1. Fuel element for gas-cooled high-temperature reactors, in which the fissile material is with or without a metallic cover in a ribbed graphite hollow cylinder, which is closed at both ends by means of end caps so that the fissile material is in Axial direction of the cylinder can expand, characterized in that concentric and at a distance from the graphite hollow cylinder surrounding the fissile material rod, a second one Hollow cylinder made of graphite is arranged, and that the two graphite hollow cylinders by longitudinal ribs are rigidly connected to one another to form a structural unit.

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the longitudinal ribs, the rigidly connect the two graphite hollow cylinders to one another, extending in the radial direction.

3. Fuel element according to claim 1 or 2, characterized in that the diameter of the fission rod is chosen in a known manner so that it is solid at working temperature rests against the inner wall of the inner graphite cylinder.

4. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that the metallic sleeve provided for the fissile material rod is longer than the fissile material rod.

5. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that the fuel rod consists in a known manner of pressed and sintered uranium dioxide pellets.

6. Fuel element according to claim 4 or 5, characterized in that the rod of the fission material enclosing metallic sleeve and the end caps thereof made of a magnesium alloy exist.

7. Fuel element according to claim 6, characterized in that the metallic sleeve and the end caps are made of stainless steel.

8. Fuel element according to claim 6, characterized in that the metallic sleeve and the end caps are made of zircon.

9. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that the assembly consisting of the two graphite hollow cylinders and the longitudinal ribs as whole is formed by extrusion.

10. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that the outer graphite surfaces with a known adhesive layer made of the carbide one heat-resistant metal with a low neutron absorption cross-section are coated.

11. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that the fissile material rod is designed as a hollow cylinder.

12. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that the fissile material rod is designed as a solid cylinder.

Considered publications:

German Auslegeschrift No. 1015 952,
336, 1029 949, 1041176, 1051423;

Belgian Patent No. 559,489;

British Patent Nos. 771111, 790389,
791011,798 282;

U.S. Patent No. 2,864,758;

"Nucleonics" Vol. 14, No. 3, March 1956, p. 34
to 38;

David H. Gurinsky and G.J.Dienes, “Nuclear Fuels', 1956, p. 253.

1 sheet of drawings

409 510/406 2.64 ® Bundesdruckerei Berlin