DE1207022B

DE1207022B - Nuclear reactor fuel element

Info

Publication number: DE1207022B
Application number: DEC23805A
Authority: DE
Inventors: Claude Ringot; Maurice Gauthron; Jacques-Andre Stohr
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1960-04-21
Filing date: 1961-04-04
Publication date: 1965-12-16
Also published as: LU39992A1; FR1262687A; NL263683A; BE602229A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

G21cG21c

Deutsche KI.: 21g-21/20German AI .: 21g-21/20

Nummer: 1207 022Number: 1207 022

Aktenzeichen: C 23805 VIII c/21 gFile number: C 23805 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 4. April 1961 Filing date: April 4, 1961

Auslegetag: 16. Dezember 1965Opening day: December 16, 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, dessen als vollzylindrische Tabletten ausgebildeten und übereinander angeordneten Brennstoffkörper von einer hülsenförmigen Umhüllung umschlossen sind, die mehrere in Längsrichtung der Umhüllung verlaufende Falten aufweist.The invention relates to a nuclear reactor fuel element, as fully cylindrical tablets trained and superposed fuel body of a sleeve-shaped envelope are enclosed, which has several folds extending in the longitudinal direction of the envelope.

Die zur Umhüllung des Brennstoffes dienenden Bauteile sind im Laufe des Reaktorbetriebes im wesentlichen drei unterschiedlichen Krafteinwirkungen ausgesetzt, die zu ihrer Verformung Anlaß geben können. Einerseits dehnen sich der Brennstoff und das Material der Umhüllung unter dem Einfluß von Temperatur und radioaktiver Strahlung in unterschiedlichem Maße aus, wobei es im allgemeinen zu von innen auf die Umhüllung gerichteten Druckkräften kommt. Außerdem besteht von außen her der Druck des Kühlgases auf die Umhüllung, und schließlich drückt das im Laufe der Bestrahlung gebildete Spaltgas von innen her auf die Umhüllung.The components used to coat the fuel are in the course of operation of the reactor essentially exposed to three different forces that give rise to their deformation can. On the one hand, the fuel and the material of the cladding expand under the influence of Temperature and radioactive radiation to varying degrees, with it generally increasing comes from the inside directed on the envelope compressive forces. In addition, from the outside there is the Pressure of the cooling gas on the envelope, and finally presses that formed in the course of the irradiation Fission gas from the inside onto the envelope.

Es sind nun eine Reihe von konstruktiven Ausgestaltungen für die Umhüllung von Brennstoffkörpern bekanntgeworden, die der einen oder der anderen dieser drei Druckkräfte Rechnung tragen sollen.There are now a number of structural designs for the encasing of fuel bodies become known that take one or the other of these three pressure forces into account should.

So sind Hüllen zum Ausgleich der durch die unterschiedliche Ausdehnung hervorgerufenen Druckkräfte bekannt, die mehrere in ihrer Längsrichtung verlaufende Falten aufweisen, so daß sie bei großer Steifigkeit in axialer Richtung eine gewisse Elastizität in radialer Richtung besitzen und dem Druck des sich ausdehnenden Brennstoffs nachzugeben vermögen, der in Form vollzylindrischer Tabletten innerhalb der Umhüllung angeordnet ist. Für die Abführung des Spaltgases sind jedoch bei diesen bekannten Hüllen keinerlei besondere Vorkehrungen getroffen; vor allem bleibt der dafür zur Verfügung stehende Querschnitt in allen Betriebsfällen, insbesondere auch bei Störungen im Reaktorbetrieb, bei denen eine gesteigerte Abfuhr des Spaltgases erforderlich wäre, vollkommen konstant. Dies bedingt erhebliche Gefahren, da die Druckbelastung der Hülle durch das Spaltgas von innen her kein Äquivalent in Form des von außen wirkenden Kühlgasdrucks mehr findet.So are shells to compensate for the pressure forces caused by the different expansion known, which have several folds running in their longitudinal direction, so that they are large Stiffness in the axial direction have a certain elasticity in the radial direction and the pressure of the able to give way to expanding fuel in the form of fully cylindrical tablets is arranged within the envelope. For the removal of the cracked gas, however, these are known Envelopes have not taken any special precautions; Above all, he remains available for this standing cross-section in all operating cases, especially in the event of disturbances in reactor operation which would require increased dissipation of the fission gas, completely constant. This requires considerable dangers, since the pressure load on the envelope from the inside of the cracked gas is not equivalent finds more in the form of the cooling gas pressure acting from the outside.

Bekannt sind weiter Brennstoffelemente, bei denen innerhalb der Hülle ringförmige Brennstofftabletten aufeinandergestapelt sind, so daß ein innerer Hohlraum von Zylinderform entsteht, der als Sammelraum für das Spaltgas dienen kann. In vielen Fällen lassen sich jedoch aus Stabilitätsgründen derartige hohle Brennstoffelemente nicht verwenden, so daß diese Art der Druckentlastung der Hülle gegen das Kernreaktor-BrennstoffelementAlso known are fuel elements in which ring-shaped fuel pellets are inside the casing are stacked on top of each other, so that an inner cavity of cylindrical shape is formed, which is used as a collecting space can serve for the cracked gas. In many cases, however, for reasons of stability, such Do not use hollow fuel elements, so this type of depressurization of the envelope against the Nuclear reactor fuel element

Anmelder:Applicant:

Commissariat ä l'Energie Atomique, ParisCommissariat a l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,Dipl.-Ing. R. Beetz, patent attorney,

München 22, Steinsdorfstr. 10Munich 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Claude Ringot, Gifsur-Yvette, Seine-et-Oise;Claude Ringot, Gifsur-Yvette, Seine-et-Oise;

Maurice Gauthron, Paris;Maurice Gauthron, Paris;

Jacques-Andre Stohr,Jacques-Andre Stohr,

Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise (Frankreich)Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise (France)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Frankreich vom 21. April 1960(824 890)France of April 21, 1960 (824 890)

Spaltgas nur in beschränktem Umfang anwendbar ist. Außerdem bedeutet der relativ große zentrale Hohlraum auch eine erhebliche Verminderung des für den Brennstoff zur Verfügung stehenden Volumens, was vielfach aus Gründen eines wirtschaftlichen Reaktorbetriebs unzulässig ist.Fission gas is only applicable to a limited extent. Also means the relatively large central Cavity also a considerable reduction in the volume available for the fuel, which is often inadmissible for reasons of economical reactor operation.

Für die Erfindung stellte sich daher die Aufgabe, bei voller Erhaltung der mechanischen Stabilität des Brennstoffelementes, dafür zu sorgen, daß im Störungsfall das sich entwickelnde Spaltgas einen bequemen Weg zu hinreichend großen Sammelräumen vorfindet, so daß es nicht zur Ausbildung gefährlicher Innendrucke innerhalb der Umhüllung des Brenn-Stoffelements kommen kann.For the invention, therefore, the problem arose, with full preservation of the mechanical stability of the Fuel element to ensure that in the event of a malfunction, the fission gas developing a comfortable Finds way to sufficiently large collection areas so that it is not dangerous for training Internal pressures can come within the envelope of the fuel element.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:According to the invention, this object is achieved by the combination of the following features:

a) In der Umhüllung ist im Bereich wenigstens eines ihrer beiden Enden in an sich bekannter Weise ein aus einem die Neutronen wenig absorbierenden Material bestehender Teil vorgesehen, der eine zentrale Ausnehmung aufweist, in die radial verlaufende Kanäle münden;a) In the envelope, at least one of its two ends is known per se in the area A part made of a material that has little absorption of neutrons is provided, which has a central recess into which radially extending channels open;

b) die in ihrer Zahl der Anzahl der Längsfalten der Umhüllung entsprechenden radialen Kanäle münden außerdem jeweils in eine der Falten;b) the number of radial channels corresponding in number to the number of longitudinal folds of the envelope each also open into one of the folds;

509 758ß30509 758ß30

c) die im normalen Betrieb die Brennstoffkörper dicht umschließende Umhüllung besteht aus einem in radialer Richtung derart elastischen Material, daß sie sich bei einem starken Absinken des äußeren Druckes unter Vergrößerung des freien Strömungsquerschnittes für Spaltgase zwischen der Umhüllung und den Brennstoffkörpern aufweitet.c) the envelope which tightly encloses the fuel body in normal operation consists of a material that is elastic in the radial direction so that it moves in the event of a sharp drop the external pressure while increasing the free flow cross-section for fission gases expands between the envelope and the fuel bodies.

Die in der Wand der Umhüllung angebrachten Längsfalten können nach bekannten Verfahren hergestellt sein, und ihre Anzahl kann von Fall zu Fall variieren. Die Umhüllung ist meistens zylindrisch, aber die Erfindung läßt sich in gleicher Weise auf Brennstoffelemente anwenden, deren Umhüllungen andere Querschnittsformen aufweisen, z. B. polygonal sind.The longitudinal folds made in the wall of the envelope can be produced by known methods and their number may vary from case to case. The envelope is mostly cylindrical, but the invention can be applied in the same way to fuel elements, their casings have other cross-sectional shapes, e.g. B. are polygonal.

Die Erfindung ist in der schematisch gehaltenen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. The invention is illustrated in the schematic drawing using an exemplary embodiment.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt einer Brennstoffelementhälfte gemäß der Erfindung;F i g. 1 is a longitudinal section of a fuel element half according to the invention;

Fig. 2 ist ein Querschnitt in der Ebene der LinieII-II von Fig. 1;Figure 2 is a cross-section on the plane of line II-II of Figure 1;

Fig. 3 ist ein Querschnitt in der Ebene der LinieI-I von Fig. 1.Figure 3 is a cross-section on the plane of line I-I of Figure 1.

In den Figuren sind lediglich die zum Verständnis der Erfindung nötigen Bauteile eingezeichnet, und entsprechende Bauteile in den verschiedenen Figuren tragen gleiche Bezugsziffern.In the figures, only the components necessary to understand the invention are shown, and corresponding components in the various figures have the same reference numerals.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff aus Urandioxydtabletten gebildet (UO₂), die in einer Hülse aus nichtrostendem Stahl von Vio mm Stärke aufgestapelt sind. Wie in den Fig. 1 bis 3 zu erkennen ist, sind die Brennstofftabletten 1 von einer Umhüllung 2 umgeben, die von einem Stopfen 3 bis zum anderen drei geradlinige, längsgerichtete Falten 4 aufweist, die mit 120° Winkelabstand über die Außenfläche verteilt und durch irgendeine passende Einrichtung vorgeformt sind.According to the embodiment, the fuel is formed from uranium dioxide tablets (UO ₂ ), which are stacked in a stainless steel sleeve with a thickness of Vio mm. As can be seen in FIGS. 1 to 3, the fuel tablets 1 are surrounded by an envelope 2, which has three straight, longitudinal folds 4 from one stopper 3 to the other, which are distributed over the outer surface at an angle of 120 ° and through any pre-formed to match the facility.

Der Brennstoff 1 ist an jedem Ende der Umhüllung durch zwei zylindrische Teile von dem Stopfen 3 isoliert, nämlich durch einen Ring 5, der als Wärmeisolierung dient und durch ein Teil 6 aus einem Neutronen wenig absorbierenden Material, z. B. Aluminium, Beryllium, Zirkon, Zirkonlegierung und Aluminium-Magnesium-Legierungen. Dieses Teil 6 ist vorgesehen, um die Zerstörung der Umhüllung zu vermeiden, indem die Wandung von Spaltgas und dessen Aufnahme ermöglicht ist.The fuel 1 is at each end of the envelope by two cylindrical parts of the Plug 3 insulated, namely by a ring 5, which serves as thermal insulation, and by a part 6 a low neutron absorbing material, e.g. B. aluminum, beryllium, zirconium, zirconium alloy and aluminum-magnesium alloys. This part 6 is intended to prevent the destruction of the casing to be avoided by allowing the wall of cracked gas and its absorption.

Jedes der Teile 6 ist in radialer Richtung mit drei Kanälen 7 versehen, die in 120° Winkelabstand voneinander angeordnet sind und gegenüber den drei Falten 4 der Umhüllung liegen.Each of the parts 6 is provided with three channels 7 in the radial direction, which are spaced from one another at an angle of 120 ° are arranged and lie opposite the three folds 4 of the envelope.

Der freie Raum 8, der zwischen der letzten Brennstofftablette und den Teilen 5 und 6 vorgesehen ist, dient als Aufnahme für das Spaltgas.The free space 8, which is provided between the last fuel pellet and the parts 5 and 6 is, serves as a receptacle for the cracked gas.

Die vorher geformten Falten 4 haben so einen Raum und bestimmte Abmessungen, wodurch die spätere Bildung von unregelmäßigen Falten, z. B. bei der Bestrahlung, verhindert wird. Darüber hinaus haben sie die Neigung, sich bezüglich des ihnen zugewiesenen Raumes auszudehnen.The previously formed folds 4 so have a space and certain dimensions, whereby the later formation of irregular wrinkles, e.g. B. during irradiation is prevented. Furthermore they have a tendency to expand in relation to the space allotted to them.

Beim Betrieb in einem Reaktor gewährleisten die Falten die gewünschte Festigkeit in Längsrichtung.When operated in a reactor, the folds ensure the desired strength in the longitudinal direction.

Bei normalem Betrieb ermöglichen die Falten das langsame Strömen des Spaltgases zu den Enden der Brennstoffhülse und dann durch die Kanäle 7 in die Aufnahmeräume 8.During normal operation, the folds allow the fission gas to flow slowly to the ends of the Fuel sleeve and then through the channels 7 into the receiving spaces 8.

Wenn aus irgendeinem Grund ein plötzliches Absinken des Reaktorbetriebsdruckes eintritt, dann kann sich die Umhüllung dank ihrer radialen Elastizität aufweiten, so daß dem Spaltgas ein weit größerer Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht und somit das Abströmen zum Aufnahmeraum begünstigt. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung und zum Absinken des inneren Druckes.If for any reason a sudden drop in reactor operating pressure occurs, then expand the envelope thanks to its radial elasticity, so that the cracked gas a far larger Flow cross-section is available and thus favors the outflow to the receiving space. this leads to an even distribution and a decrease in the internal pressure.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffelement, das eine gute Festigkeit in Längsrichtung aufweist und die Bildung von unerwünschten FaltenThe fuel element designed according to the invention, which has good strength in the longitudinal direction and the formation of unwanted wrinkles

ao vermeidet, zeigt in Reaktoren gute Ergebnisse, da seine Umhüllung sich den Deformationen erzeugenden Erscheinungen nicht starr entgegensetzt, sondern nachgibt und dazu neigt, sie auszugleichen.ao avoids, shows good results in reactors because its covering does not rigidly oppose the deformation-producing phenomena, but rather gives way and tends to compensate for it.

Claims

Claim:

Nuclear reactor fuel element, its formed as fully cylindrical tablets and one above the other arranged fuel body are enclosed by a sleeve-shaped casing which has a plurality of folds running in the longitudinal direction of the envelope, characterized by combining the following features:

a) In the envelope (2) is in the area at least one of its two ends in per se as is known, a material consisting of a material that has little absorption of neutrons Part (6) is provided which has a central recess (8) into the radially extending Channels (7) open;

b) the radial folds corresponding in number to the number of longitudinal folds of the envelope Channels also open into one of the folds;

c) the envelope tightly enclosing the fuel body during normal operation Made of a material that is elastic in the radial direction so that it is at a sharp drop in external pressure with an increase in the free flow cross-section expands for fission gases between the envelope and the fuel bodies.

Considered publications:
French patent specification No. 1201 636,

1156 133;

British Patent Nos. 768 078, 829139;
U.S. Patent Nos. 2,855,355, 2,863,814,

2 864758.

1 sheet of drawings