DE1215267B

DE1215267B - Cover for nuclear fuel

Info

Publication number: DE1215267B
Application number: DEU9209A
Authority: DE
Inventors: Milton Woodall Boothroyd
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1961-08-28
Filing date: 1962-08-23
Publication date: 1966-04-28
Also published as: GB1001874A; BE621782A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

G21cG21c

Deutsche KL: 21g-21/20 German KL: 21g -21/20

Nummer: 1 215 267Number: 1 215 267

Aktenzeichen: U 9209 VIII c/21 gFile number: U 9209 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 23. August 1962 Filing date: August 23, 1962

Auslegetag: 28. April 1966Opening day: April 28, 1966

Die Erfindung bezieht sich auf Hüllen für Kernbrennstoff, die aus zwei Aluminiumverbundschichten bestehen.The invention relates to cladding for nuclear fuel, which consists of two aluminum composite layers exist.

Solche Hüllen sind nicht nur bei stabartigen oder zylindrischen Brennelementen, sondern auch bei jeder anderen Brennelementform, z. B. auch bei plattenförmigen Brennelementen, anwendbar.Such casings are not only used in rod-like or cylindrical fuel assemblies, but also in any other fuel element shape, e.g. B. also applicable to plate-shaped fuel assemblies.

Die Werkstoffe, die sich für die Verwendung als Hüllenmaterial für keramische Brennstoffe eignen, sind Gegenstand von umfassenden Forschungsarbeiten gewesen, die darauf abzielten, eine Brennstoffhülle herzustellen, die den kerntechnischen Anforderungen weitgehend genügt. Die Hülle muß alle Fehler und Unzulänglichkeiten in der strukturellen Festigkeit des Brennstoffmaterials ausgleichen, ohne daß sie ihrerseits eine strukturelle Eigenschwäche einbringt, während sie gleichzeitig einen niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt haben soll. Außerdem muß eine chemische Verträglichkeit zwischen Hüllenmaterial und Kühlmittel und zwischen Hüllenmaterial und Brennstoff vorhanden sein. Hohe thermische Leitfähigkeit und gute Wärmeübertragungseigenschaften sind über den Arbeitsbereich des Hüllenmaterials hinweg für dieses erforderlich. Wo die Wahrscheinlichkeit oder Gefahr besteht, daß Spaltprodukte aus dem Brennstoff emittiert werden, muß die Hülle außerdem einen hohen Widerstand gegenüber Spaltproduktdiffusion aufweisen.The materials that are suitable for use as a shell material for ceramic fuels, have been the subject of extensive research aimed at providing a fuel cladding produce that largely meets the nuclear requirements. The shell must have all flaws and compensate for inadequacies in the structural strength of the fuel material without that it for its part brings in a structural weakness of its own, while at the same time it brings in a low one Should have neutron absorption cross-section. In addition, there must be chemical compatibility between Cladding material and coolant and between cladding material and fuel. High thermal Conductivity and good heat transfer properties are beyond the working range of the Shell material away for this required. Where there is a likelihood or danger that Fission products are emitted from the fuel, the shell must also have a high resistance exhibit against fission product diffusion.

Bist jetzt bestand allgemein die Auffassung, daß Vorteile durch die Verwendung von zusammengesetzten Kernbrennstoffhüllen erreicht werden können, bei denen die Wandung aus zwei oder mehr Metallschichten mit sich ergänzenden Eigenschaften hergestellt wird. Der Einfangquerschnitt von Aluminium ist bekanntlich sehr gering, und aus diesem Grund ist es für die Verwendung in Kernreaktoren geeignet. Um jedoch hohen Temperaturen zu widerstehen, muß das Aluminium aus Pulver hergestellt werden, das in die gewünschte Form gesintert wird, und in diesem Zustand ist die Kriech- oder Dauerfestigkeit sehr gering. Das in einem Kernbrennstoffelement entstehende Kriechen oder Aufquellen ist während des Betriebs sehr ausgeprägt, und im Reaktor würde gesintertes Aluminiumpulver unter diesen Umständen versagen. Es hat daher den Anschein, daß die wünschenswerten Eigenschaften des Aluminiums als Brennstoffbehälter in einer Zone hoher Temperatur verlorengeht.There was now a general belief that there were advantages through the use of compound Nuclear fuel cladding can be achieved in which the wall consists of two or more Metal layers with complementary properties is produced. The capture cross-section of aluminum is known to be very low, and for this reason it is suitable for use in nuclear reactors suitable. However, in order to withstand high temperatures, the aluminum must be made from powder which is sintered into the desired shape, and it is in this state that the creep or fatigue strength is very low. The creep or swelling that occurs in a nuclear fuel element very pronounced during operation, and in the reactor there would be sintered aluminum powder among these Circumstances fail. It therefore appears that the desirable properties of aluminum is lost as a fuel container in a high temperature zone.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hülle für Kernbrennstoff zu schaffen, die aus zwei Aluminiumverbundschichten besteht, bei der die innere Schicht eine geringe Kriechfestigkeit bei erHülle für KernbrennstoffThe invention has for its object to provide a shell for nuclear fuel, which consists of two There is aluminum composite layers, in which the inner layer has a low creep resistance when it is sheathed for nuclear fuel

Anmelder:Applicant:

United Kingdom Atomic Energy Authority,United Kingdom Atomic Energy Authority,

LondonLondon

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,Dipl.-Ing. E. Schubert, patent attorney,

Siegen, Eiserner Str. 227Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Milton Woodall Boothroyd, LondonMilton Woodall Boothroyd, London

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Großbritannien vom 28. August 1961 (30 997)Great Britain August 28, 1961 (30 997)

höhten Temperaturen, einen hohen Diffusionswiderstand gegenüber Spaltprodukten und ein geringes Nentronenabsorptionsvermögen hat, während die äußere Schicht eine hohe Kriechfestigkeit bei hoher Temperatur und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion im Reaktorkühlmittel aufweist. Die geringe Kriech- oder Dauerfestigkeit der inneren Schicht soll es ermöglichen, daß das Material sich beim Wärmeumlauf leicht kriechverformt, ohne daß unter normalen Betriebsbedingungen eine hohe thermische Belastung in der Hülle auftritt. Das Material der äußeren Hülle soll die notwendige strukturelle Festigkeit für die innere Schicht und für den Brennstoff bieten.elevated temperatures, a high diffusion resistance to fission products and has a low Nentronenabsorptivity, while the outer layer has high creep resistance at high temperature and high resistance to Has corrosion in the reactor coolant. The low creep or fatigue strength of the internal Layer should allow the material to stand easily creep deformed during heat circulation without a high thermal under normal operating conditions Load occurs in the envelope. The material of the outer shell is said to have the necessary structural properties Provide strength for the inner layer and for the fuel.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die äußere Schicht aus gesintertem Aluminiumpulver und die innere Schicht aus preßverformtem Aluminium besteht.This object is achieved according to the invention in that the outer layer is made of sintered aluminum powder and the inner layer is formed from compression molded aluminum.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführurigsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist ein Axialschnitt durch eine zylindrische Brennstoffhülle dargestellt, die für ein Reaktorsystem mit einem organischen Moderator und keramischen Brennstoff geeignet ist.The invention will now be based on an exemplary embodiment shown in the drawing explained in more detail. The drawing shows an axial section through a cylindrical fuel envelope, which is suitable for a reactor system with an organic moderator and ceramic fuel.

Die für dieses Ausführungsbeispiel gewähltenThe ones chosen for this embodiment

Materialien sind gesintertes Aluminiumpulver und preßgeformtes (gehämmertes oder geschmiedetes) Aluminium. Letzteres hat einen hohen Widerstand gegenüber Spaltproduktdiffusion, aber eine niedrige Kriechfestigkeit. Gesintertes Aluminiumpulver hat dagegen einen hohen Kriechwiderstand. Sollten sichMaterials are sintered aluminum powder and press formed (hammered or forged) Aluminum. The latter has a high resistance to fission product diffusion, but a low one Creep resistance. Sintered aluminum powder, on the other hand, has a high creep resistance. Should

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feine Risse im äußeren Material bilden, so erstrecken sich diese nicht durch die ganze Hüllenwand hindurch, weil die weiche innere Lage aus preßverfonntem Aluminium vorhanden ist.if fine cracks form in the outer material, they do not extend through the entire envelope wall, because the soft inner layer made of pressed aluminum is present.

Die Hülle weist einen zylindrischen Körper 1 auf, der aus einem Zylinder la aus gesintertem Aluminiumpulver (etwa 0,796 mm Wanddicke) vorgeformt ist und dessen innere Oberfläche einen dünnen Überzug Ib (0,17 mm dick) aus preßverformtem Aluminium trägt. Die Enden des Körpers 1 sind durch Endkappen 2 aus ebenfalls gesintertem Aluminiumpulver abgeschlossen, deren Innenflächen mit preßverformtem Aluminium 2 b überzogen sind. Der Brennstoff hat die Form von Stangen 3, die in der Hülle aufeinandergestapelt sind. Ein keramischer Abstandshalter 4 ist an jedem Ende der Brennstoffsäule vorgesehen. Die Abstandshalter bilden eine Wärmeisolierungsschranke zwischen der Endfläche der Hülle und dem Brennstoff. Um eine Kontinuität der dünnen Aluminiumschicht nach der Herstellung zu gewährleisten, hat jeder Abstandshalter einen Aluminiumring 5, der mit Schrumpfsitz auf seinem Umfang sitzt. Jeder der Abstandshalter 4 hat ein Entlüftungsloch 6.The shell has a cylindrical body 1 which is preformed from a cylinder la made of sintered aluminum powder (about 0.796 mm wall thickness) and the inner surface of which bears a thin coating Ib (0.17 mm thick) made of compression-molded aluminum. The ends of the body 1 are closed by end caps 2 made of likewise sintered aluminum powder, the inner surfaces of which are coated with compression-molded aluminum 2 b. The fuel is in the form of rods 3 stacked one on top of the other in the envelope. A ceramic spacer 4 is provided at each end of the fuel column. The spacers form a thermal barrier between the end face of the shell and the fuel. In order to ensure continuity of the thin aluminum layer after manufacture, each spacer has an aluminum ring 5, which is seated with a shrink fit on its circumference. Each of the spacers 4 has a vent hole 6.

Die Hülle gemäß der Erfindung kann z. B. durch Strangpressen oder nach anderen für die Herstellung von Verbundrohren bekannte Verfahren hergestellt werden. Derartige Verfahren bewirken eine gute metallurgische Verbindung zwischen dem Aluminiumüberzug und dem gesintertem Aluminiumrohr, vorausgesetzt, daß die Oberflächen vor dem Verbinden sauber und genügend entfettet sind. Die beiden Materialien, die gegenseitig sich ergänzende nukleare Eigenschaften haben, sind somit in inniger Berührung miteinander, und jede Wärmeschranke zwischen den Materialien kann vernachlässigt werden. Das einmal hergestellte Verbundrohr wird auf die gewünschte Länge zugeschnitten, um den zylindrischen Verbundkörper 1 zu bilden. Die Endkappen 2 sind durch herkömmliche Verfahren getrennt hergestellt. Die Brennstoffstäbe werden in den zylindrischen Körper zusammen mit den keramischen Abstandshaltern 4 eingeführt.The sheath according to the invention can, for. B. by extrusion or after other for the production methods known from composite pipes can be produced. Such methods work well metallurgical bond between the aluminum coating and the sintered aluminum tube, provided that the surfaces are clean and adequately degreased before joining. the both materials, which have mutually complementary nuclear properties, are thus more intimate Contact with each other and any thermal barrier between the materials can be neglected. Once the composite pipe has been produced, it is cut to the desired length, around the cylindrical To form composite body 1. The end caps 2 are separated by conventional methods manufactured. The fuel rods are in the cylindrical body along with the ceramic Spacers 4 introduced.

Die Bauteilgruppe mit dgn Endkappen wird in einen Arbeitskasten (Schutzkasten zum Arbeiten mit radioaktiven Substanzen) gebracht, in dem eine Heliumatmosphäre herrscht. "Die Endkappen werden mit dem zylindrischen Körper durch Stumpfschweißen verbunden, während gleichzeitig ein Axialdruck beiden Endkappen übermittelt wird.The component group with dgn end caps is in brought a work box (protective box for working with radioactive substances) in which a There is a helium atmosphere. "The end caps are butt welded to the cylindrical body connected while an axial pressure is transmitted to both end caps at the same time.

Die überstehenden Reste oder Kragen an der Außenseite der Hülle, die durch das Stauchen bzw. ίο Ausweichen des gesinterten Aluminiumpulvers entstanden sind, werden maschinell entfernt. Während des Schweißens strömen die im Hüllraum entstehenden Gase durch die Entlüftungsöffnungen 6 in Räume 7, die durch die Endkappen abgeschlossen sind.The protruding remnants or collar on the outside of the cover, which are caused by the upsetting or ίο Dodging the sintered aluminum powder was created are removed by machine. During the welding process, those generated in the envelope flow Gases through the vents 6 into spaces 7, which are closed by the end caps are.

Die erfolgte Abdichtung des Endproduktes wird durch herkömmliche Helium-Leckermittlungsverfahren überprüft.The final product is sealed using conventional helium leak detection methods checked.

Die Abmessungen sind natürlich eine Frage der ao jeweiligen Reaktorkernauslegung oder -dimensionierung. Von besonderem Interesse ist jedoch der kleine Abstand zwischen dem Ende des Brennstoffs und dem Ende der Hülle, der geringer als bei herkömmlichen Hüllenkonstruktionen sein kann. Dieser Faktor ist bei Reaktorsystemen, die durch Leichtwasserstoff moderiert sind, von großer Bedeutung, da in solchen Reaktoren dadurch Örtliche Neutronenflußspitzenwerte reduziert werden.The dimensions are of course a question of the particular reactor core design or dimensioning. Of particular interest, however, is the small distance between the end of the fuel and the end of the shell, which can be smaller than conventional shell designs. This factor is of great importance in reactor systems that are moderated by light hydrogen, since in such reactors thereby reducing local neutron flux peaks.

Claims

Claim:

Shell for nuclear fuel, consisting of two aluminum composite layers, characterized in that the outer layer of sintered aluminum powder and the inner Layer consists of compression-molded aluminum.

Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1029 949,
1065 100;

Austrian Patent No. 198 391;
British Patent No. 784,890;
U.S. Patents Nos. 2855 355, 2863 816,
2 86475.8.

1 sheet of drawings