DE1290264B

DE1290264B - Thermionic converter fuel element for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1290264B
Application number: DEE35716A
Authority: DE
Inventors: Busse Claus-Adolf
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1967-04-14
Filing date: 1968-02-08
Publication date: 1969-03-06
Also published as: GB1185583A; FR1572285A; LU53419A1; NL6804753A; BE713525A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein thermionisches Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einThe invention relates to a thermionic. The object of the invention is to provide a

Konverter-Brennelement für Kernreaktoren mit im Brennelement zu schaffen, das die genannten Nachinneren des Emitters angeordnetem Kernbrennstoff teile nicht aufweist, das aber die bei Thermionik- und mehreren nebeneinander angeordneten Konver- Kernreaktoren erforderliche Mindestleistung von tern, bei denen die Emitterelektrode jedes Konver- 5 10 kW im Gesamtkern dennoch durch elektrische ters unter Zuhilfenahme der zwischen den Elektroden Reihenschaltung zu verwirklichen gestattet. Bei der befindlichen elektrischen Isolation auf einer Wärme- Lösung dieser Aufgabe wird zu Zwecken der Wärmeübertragungsröhre (heat pipe), die die Reaktions- abführung von der Wärmeübertragungsröhre (heat wärme abführt, gasdicht abgestützt und als elek- pipe) Gebrauch gemacht, die im einfachsten Fall ein irischer Kontakt ausgebildet ist und die Wandung io an beiden Enden geschlossenes Rohr ist, das ein der Verdampferzone der Wärmeübertragungsröhre Quantum Arbeitsflüssigkeit enthält. Wärme wird als gleichzeitig die Kollektorelektrade jedes Konver- latente Energie durch Verdampfen der Arbeitsflüssigters ist. keit in einer Heizzone und durch Kondensieren inConverter fuel assembly for nuclear reactors with in the fuel assembly to create the said interior the emitter does not have nuclear fuel parts, but the thermionic and several juxtaposed conver nuclear reactors required minimum power of tern, in which the emitter electrode of each converter 5 10 kW in the overall core is still through electrical ters allowed to realize with the help of the series connection between the electrodes. In the Electrical insulation located on a thermal solution to this task is used for purposes of the heat transfer tube (heat pipe), which dissipates the reaction from the heat transfer tube (heat dissipates heat, gas-tightly supported and as an elek- pipe), which in the simplest case is a Irish contact is formed and the wall io is closed tube at both ends, which is a the evaporation zone of the heat transfer tube contains quantum of working fluid. Heat is called at the same time the collector electrode of every convertible energy through evaporation of the working liquid is. in a heating zone and by condensing in

Thermionik-Kernreaktoren sind in der Literatur einer Kühlzone transportiert. Der Kreislauf wird mehrfach als Energiequellen für Raumfahrzeuge vor- 15 durch den Rückfluß des Kondensats mittels einer geschlagen werden. Der Reaktorkern wird dabei aus Kapillarstruktur, welche die Innenwandung des Roh-Brennelementen gebildet, die mit Kernbrennstoff be- res bekleidet, zur Verdampferzone geschlossen, heizte thermionische Konverter besitzen. In F i g. 1 Diese Art von Kühlung ist auch bei thermionischen ist ein Beispiel für den Aufbau eines solchen Brenn- Konvertern oder bei Brennelementen bereits vorgeelements ausschnittweise im Längsschnitt dargestellt. 20 schlagen worden.Thermionic nuclear reactors are transported in the literature of a cooling zone. The cycle becomes several times as energy sources for spacecraft forward through the backflow of the condensate by means of a be beaten. The reactor core is made of a capillary structure, which is the inner wall of the raw fuel assembly formed, clad with nuclear fuel, closed to the evaporation zone, have heated thermionic converters. In Fig. 1 This type of cooling is also used with thermionic is an example of the structure of such a fuel converter or, in the case of fuel assemblies, an already pre-element Excerpts shown in longitudinal section. 20 hit.

Ein äußeres Metallrohr 1 — die Brennelement- Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird für einAn outer metal tube 1 - the fuel assembly- To solve the problem is for a

hülle — umschließt nacheinander in koaxialer An- thermionisches Konverter-Brennelement der eingangs Ordnung eine elektrische Isolierschicht 2, die Konver- genannten Gattung vorgeschlagen, daß alle Konverter mit den Kollektorelektroden 3 und den Emit- ter des Brennelements in gleicher Orientierung zu tern 4, welch letztere den Kernbrennstoff 5 in einer 25 einer ihnen gemeinsamen Wärmeübertragungsröhre Metallhülle 6 enthalten. Der Kollektor und der Emit- angeordnet sind, daß der Teil der Emitterelektrode, ter sind jeweils durch die Keramikringe 7 auf Zwi- der als elektrischer Kontakt ausgebildet ist, ein herschenabstand gehalten. Im Elektrodenraum 8 befin- vorspringender Teil der gemeinsamen Außenfläche det sich Zäsiumdampf. An der Elementoberfläche des Konverter-Brennelements ist und auf der elekströmt ein Kühlmittel (Pfeil 9). 30 trischen Isolation aufliegt und daß die Wärmeüber-shell - encloses one after the other in a coaxial anthermionic converter fuel element of the initially introduced Order an electrical insulating layer 2, the type mentioned Konver- suggested that all converters with the collector electrodes 3 and the emitter of the fuel assembly in the same orientation tern 4, which latter the nuclear fuel 5 in a 25 of a common heat transfer tube Metal shell 6 included. The collector and the emitter are arranged so that the part of the emitter electrode, Ter are each formed by the ceramic rings 7 in the form of an electrical contact, a mutual spacing held. In the electrode space 8 there is a projecting part of the common outer surface is cesium vapor. Is on the element surface of the converter fuel assembly and on the elekströmt a coolant (arrow 9). 30 tric insulation and that the heat transfer

Ein anderes Beispiel für einen Thermionik-Reak- tragungsröhrenwandung einen weiteren Teil der Kontor geht aus der britisehen Patentschrift 1 024 929 verter-Brennelementoberfläehe bildet, hervor. Hier ist die einzelne thermionische Zelle als Im Fall eines koaxialen Elektrodensystems tauchenAnother example of a thermionic reaction tube wall covering another part of the office goes from the British patent specification 1 024 929 forms verter fuel element surface, emerged. Here is the single thermionic cell as diving in the case of a coaxial electrode system

flache Scheibe ausgebildet und mit gleichartigen ZeI- die dann rundstabförmigen Emitter in entsprechende len zu einer kritischen Anordnung gestapelt. Die in 35 zylindrische Durchbrüche oder Ausnehmungen der der Brennstoffüllung des Emitters erzeugte Spaltungs- dann prismatisch gehaltenen Wärmeübertragungswärme wird zum einen Teil in elektrische Energie röhre ein, wobei die Wandungen der Durchbrüche verwandelt, welche an den Stapelenden greifbar ist, oder Ausnehmungen die Kollektroelektroden bilden, und sie wird im übrigen in dem als Wärmeübertra- Der Emitterfuß sitzt hierbei mit einem Isolierring gungsröhre ausgebildeten Kollektor senkrecht zur Sta- 40 auf dem Rücken der Wänneübertragungsröhre auf. pelrichtung herausgeführt. Im Fall eines ebenen Elektrodensystems dient derflat disc and with the same type of cell, the then round rod-shaped emitter in corresponding len stacked in a critical arrangement. The 35 cylindrical openings or recesses of the the fuel filling of the emitter generated fission heat then held prismatically is partly in electrical energy tube a, whereby the walls of the breakthroughs transformed, which can be grasped at the stack ends, or recesses form the collector electrodes, and it is used in the rest of the as heat transfer The emitter foot sits here with an insulating ring Transfer tube formed collector perpendicular to the stator 40 on the back of the heat transfer tube. pel direction led out. In the case of a flat electrode system, the

Wenn die beiden erläuterten bekannten Möglieh- Rücken der Wärmeübertragungsröhre direkt als keiten auch vom nuklearen Standpunkt her (korn- Kollektorelektrode, wobei der plattenförmige Emitter pakte Anordnung) sehr interessant sind, so sind doch darüber von einer Isolierschicht auf demselben gewisse, für die Realisierung entscheidende Kriterien 45 Rücken in dem erforderliehen-Zwischenabstand gezuwenig berücksichtigt. halten wird. In beiden Fällen bildet die Wärmeüber-If the two explained known Möglieh backs of the heat transfer tube directly as also from a nuclear point of view (grain collector electrode, where the plate-shaped emitter compact arrangement) are very interesting, so there is an insulating layer on top of it certain criteria, which are decisive for the realization, are not enough in the required spacing considered. will hold. In both cases, the heat transfer

Die Spaltgase aus dem Kernbrennstoff können tragungsröhre zugleich den Körper des Brennpraktisch nur über den Elektrodenraum abgeführt elements.The fission gases from the nuclear fuel can support the body of the fuel practically at the same time elements discharged only via the electrode chamber.

werden, was zu einer Verunreinigung der Konverter- Durch dieses Kombinatianspronzip von Konverelektroden und des Zäsiumplasmas führen kann. Läßt 50 ter und Wänneübertragungsröhre, bei dem im Gegenman dabei die Spaltgase durch ein Entlüftungsloch in satz zum Bekannten die Symmetrieachse der Konverder Brennelementhülle ins Freie entweichen, muß ter quer zur Haupterstreckungsrichtung des Brennman entsprechende Zäsiumverluste in Kauf nehmen. elements liegt, werden wesentliche bauliche und Diese Verluste lassen sich zwar durch Enghalten der schaltungstechnische Vorteile erreicht. Diese zeigen Entlüftungslöcher reduzieren, die Maßnahme führt 55 sich besonders beim Aufbau eines Reaktorkerns aus aber zur Ausbildung hoher Spaltgaspartialdrücke. mehreren solchen Brennelementen zu einer größeren Dadurch werden die Elektrodenkontamination und Leistungseinheit: Zunächst einmal sind die Kollekdie Elektrodenkorrosion gefördert, und es wird in toren der Konverter jedes Brennelements infolge ihgewissem Umfang auch der Fluß der Elektronen be- rer Einbeziehung in die Wärmeübertragungsröhren, hindert. Kleine Spaltgasdrücke können nur mit korn- 60 d. h. in die Brennelementwand, elektrisch parallel plizierten Umwälz- und Reinigungsvorrichtungen für geschaltet. Das hat den Wegfall des Kollektor-Sanddas Zäsium erreicht werden. wiches, also der bei Serienschaltung erforderlichenDue to this combination of converging electrodes, the converter will be contaminated and the cesium plasma. Leaves 50 ter and heat transfer tube, with the one in the Gegenman while the fission gases through a vent hole in set to the known the axis of symmetry of the converter The fuel element cladding must escape into the open at right angles to the main direction of extent of the Brennman accept corresponding cesium losses. elements are essential structural and These losses can be achieved by restricting the circuit advantages. These show Reduce ventilation holes; this measure is particularly useful when assembling a reactor core but for the formation of high cracking gas partial pressures. several such fuel assemblies into a larger one Thereby the electrode contamination and the power unit: First of all, there are the collections Electrode corrosion promoted, and it is in gates of the converter of each fuel assembly as a result of it Extent also the flow of electrons before their inclusion in the heat transfer tubes, hinders. Small fission gas pressures can only be achieved with grain 60 d. H. in the fuel assembly wall, electrically parallel Plicated circulation and cleaning devices for switched. That has the omission of the collector sanddas Cesium can be achieved. wiches, i.e. the one required for series connection

Schließlich sind die Emitter, sind sie einmal in das Isolierschicht zwischen Brennelementhülle und KoI-Brennelement eingebaut, von außen nicht mehr zu- lektorelektroden, zur Folge. Es sind jetzt nicht mehr gänglich, was insbesondere die sehr erwünschte Er- 65 in dem vom Kühlmittel beaufschlagten Raum des probung der Konverter im fertigen Element durch Brennelements Elektroden verschiedenen Potentials elektrische Beheizung der noch brennstofflosen (Kollektoren und Emitter) untergebracht, die durch Emitter ausschließt. das Kühlmittel elektrisch kurzgeschlossen werdenAfter all, the emitters are once in the insulating layer between the fuel element cladding and the KoI fuel element built-in, no longer connector electrodes from the outside. There are no more now accessible, which in particular the very desirable Er- 65 in the acted upon by the coolant space of the Testing of the converter in the finished element through fuel element electrodes of different potentials electrical heating of the still fuelless (collectors and emitters) housed by Excludes emitter. the coolant is electrically short-circuited

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könnten. Vielmehr enden die Elektrodenzwischen- z. B. aus Mo, und dem Deckel 15, z. B. aus Nb-IZr,could. Rather, the electrodes end between z. B. from Mo, and the cover 15, for. B. from Nb-IZr,

räume an der Peripherie des Brennelements. und das Kollektorsystem, bestehend aus dem massi-spaces on the periphery of the fuel assembly. and the collector system, consisting of the massive

Zum zweiten werden die außerhalb der Wärme- ven Block 16, z. B. aus Nb—IZr, welcher entspreübertragungsröhre liegenden Emittersoekel als elek- chend der Größe des Elektrodenraumes und der Zahl irische Kontakte ausgebildet, Man kann dann die 5 der vorhandenen Emittersysteme zylindrische DurchEmitterelektroden der Konverter eines Brennelements bohrungen aufweist. In diese Bohrungen sind die in einfacher Weise durch Auflegen (beim waagerecht Emitter eingesetzt. Mit seinem hinteren Ende bezu schichtenden Reaktorkern) oder Ansetzen (beim grenzt der Block die Spaltzone im Reaktor,
senkrecht zu schichtenden Reaktorkern) eines zwei- Der Emitterfuß jedes Konverters — das sind die ten Brennelements gleichen Typs elektrisch parallel io thermische Abschirmung 14 und der Deckel 15 — ist schalten. Zugleich werden dadurch aber die Konver- jeweils unter Zuhilfenahme des elektrischen Isolierter der miteinander in Kontakt gebrachten Brenn- ringes 17, z. B. aus Al₂O₃, außen auf der Wärmeelemente auch elektrisch in Reihe geschaltet. Hier- Übertragungsröhre abgestützt. Der Isolierring ist sodurch wird eine sehr flexible Aufbautechnik für wohl mit dem Deckel als auch mit der Wärmeüberthermionische Reaktorkerne geschaffen. 13 tragungsröhre 11 gasdicht verlötet. Die OberflächeSecond, the outside of the heat ven block 16, z. B. made of Nb-IZr, which emitter base lying in the corresponding transmission tube is designed as an electrical element of the size of the electrode space and the number of Irish contacts. In these bores the are simply placed (with the horizontal emitter inserted. With its rear end coated reactor core) or attachment (with the block borders the gap zone in the reactor,
perpendicular to layered reactor core) of a two- The emitter foot of each converter - these are the th fuel assembly of the same type electrically in parallel io thermal shielding 14 and the cover 15 - is to switch. At the same time, however, the converters are each activated with the aid of the electrical insulator of the burner ring 17 brought into contact with one another, e.g. B. made of Al ₂ O ₃ , also electrically connected in series on the outside of the heating elements. Here- transmission tube supported. The insulating ring is thus a very flexible construction technique for both the cover and the heat-transferring reactor cores. 13 support tube 11 soldered gas-tight. The surface

Die Wärmeübertragungsröhren der Brennelemente des Deckels dient zugleich als elektrischer Kontakt, solcher Kerne können in Verlängerung aus der Spalt- Die Verdampferfläche der Wärmeübertragungszone des Reaktors herausgeführt und z. B. als Radia- röhre 11 wird in erster Linie durch die Außenwantoren zur Wärmeabstrahlung ausgebildet werden. dung des Kollektorblocks 16 gebildet. Als Arbeits-The heat transfer tubes of the fuel elements of the cover also serve as an electrical contact, Such cores can be extended out of the gap The evaporator surface of the heat transfer zone of the reactor and z. B. as a radial tube 11 is primarily through the outer shrouds be designed for heat radiation. formation of the collector block 16 is formed. As a working

Drittens gestattet die Orientierung der Emitter- 20 flüssigkeit wird z. B. Na verwendet. Der Na-Dampf systeme zur Brennelementperipherie ein direktes Ab- strömt im Betrieb zum Kondensationsende 18 der führen der Spaltgase aus dem Brennelement heraus Röhre, schlägt sich dort nieder und wird durch die nach außen, z.B. in die freien Spalte des Reaktor- Kapillarstruktur 19 sowie die »Arterie«20 wieder in kerns. Die zäsiumerfüllten Elektrodenzwischenräume die Verdampfungszone zurückbefördert. Die »Artewerden jetzt nicht mehr in Mitleidenschaft gezogen, as rie« ist ein Kondensatversorgungskanal von über-Third, the orientation of the emitter liquid is permitted e.g. B. Na used. The Na steam systems for the fuel element periphery a direct outflow during operation to the condensation end 18 of the lead the fission gases out of the fuel assembly tube, where it is deposited and is through the to the outside, e.g. into the free gaps in the reactor capillary structure 19 and the "artery" 20 back in core. The cesium-filled electrode gaps are transported back to the evaporation zone. The »will be now no longer affected, as rie «is a condensate supply duct from

Schließlich gestattet die periphere Orientierung der kapillarem Durchmesser. Seine Wand ist wie die Emitter in einfacher Weise ein Testbeheizen der noch Kapillarstruktur an der Röhreninnenwand aus einem brennstofflosen Konverter, da die Emitter ohne Öff- feinen Drahtgewebe aus Nb—1 Zr aufgebaut, weinen des Brennelements von außen zugänglich sind. ches an der Wand festgesintert ist. Auch die zur Hierdurch wird auch die Kontrolle aufeinanderfol- 30 Wärmeübertragungsröhre gehörenden Wände des gender Bau- und Montageschritte möglich, da jeder Kollektorblocks 16 sind mit der Kapillarstruktur aus-Fehler vor Ausführung des nächsten Schritts auf- gestattet. Die Röhre selbst besteht z. B. aus Nb—IZr. gespürt und beseitigt werden kann. Auch können de- Der Elektrodenraum 21 jedes Konverters enthält in fekte Konverter relativ leicht ausgewechselt werden. üblicher Weise Zäsiumdampf.Finally, the peripheral orientation allows the capillary diameter. His wall is like that A test heating of the still capillary structure on the tube inner wall from an emitter in a simple manner fuel-free converter, since the emitters are made up of fine wire mesh made of Nb-1 Zr without opening of the fuel assembly are accessible from the outside. ches is sintered to the wall. Also the for This also allows control of the walls belonging to the heat transfer tube gender construction and assembly steps are possible, since each collector block 16 is out of error with the capillary structure before taking the next step. The tube itself consists z. B. from Nb-IZr. can be felt and eliminated. The electrode chamber 21 of each converter contains in perfect converter can be replaced relatively easily. Usually cesium vapor.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des 35 Die Ausgestaltung der Kollektoren als Block 16The drawing shows exemplary embodiments of the 35 The design of the collectors as a block 16

Brennelements und seiner Bestandteile sowie des zu- bewirkt zugleich deren elektrische Parallelschaltung,Fuel assembly and its components as well as the connected electrical parallel connection,

gehörigen elektrischen Schaltschemas schematisch Demgegenüber werden die Emitterlektroden durchCorresponding electrical circuit diagram schematically In contrast, the emitter electrodes are through

dargestellt. Es zeigt Verbinden der Emitterfüße, d. h. der Deckel 15, par-shown. It shows connecting the emitter feet, i.e. H. the lid 15, par-

F i g. 1 ein Teilstück eines bekannten Brenn- allel geschaltet. Dies geschieht, wie oben erwähnt,F i g. 1 a section of a known stinging allel connected. This happens, as mentioned above,

elements mit seriengeschalteten Therraionik-Konver- 40 beim Schichten des Reaktorkerns, und zwar dadurch,elements with series-connected Therraionik-Konver- 40 when layering the reactor core, namely,

tern im Längsschnitt, daß ein zweites Brennelement mit dem Bodenteil auftern in longitudinal section that a second fuel assembly to the bottom part

F i g. 2 ein ausgebildetes Brennelement mit par- ein unteres, erstes Element aufgesetzt wird, usw. Zuallelgeschalteten Thermionik-Konvertern mit koaxia- gleich wird durch das Aufeinandersetzen der EIelem Elektrodensystem in einer Wärmeübertragungs- mente auch die gewünschte Reihenschaltung der Konröhre als Elementhülle im Schnitt und in perspekti- 45 verter herbeigeführt. Die Klemmenspannung eines vischer Ansicht, Konverters liegt in der Größenordnung von 1 Volt.F i g. 2 a formed fuel assembly with a lower, first element is placed in parallel, etc. connected in parallel Thermionic converters with coaxial is equal by placing the elements on top of each other Electrode system in a heat transfer element also the desired series connection of the con tube brought about as an element shell in section and in perspective. The terminal voltage of a Vischer's view, the converter is on the order of 1 volt.

F i g. 3 den in F i g. 2 sichtbaren Schnitt durch das In F i g. 3 ist eine Lösung zur Befestigung derF i g. 3 the in F i g. 2 visible section through the In F i g. 3 is a solution for attaching the

Brennelement vergrößert und ergänzt, Emitterelektrode mit ihrem Fuß und dieses Fußes mitFuel element enlarged and supplemented, emitter electrode with its base and this base with

F i g. 4 ein Brennelement mit parallelgeschalteten der Wärmeübertragungsröhre veranschaulicht. Es be-Thermionik-Konvertern mit planparallelem Elektro- 50 zeichnen: 11 die Wärmeübertragungsröhre, 23 deren densystem in einer Wärmeübertragungsröhre als EIe- Dampfraum, 19 die Kapillarstruktur, 20 die menthülle im Schnitt und in perspektivischer An- »Arterie« (gefüllt mit Arbeitsflüssigkeit), 26 die Kolsicht, lektorelektrode aus Nb— 1 Zr mit innen aufgesinter-F i g. Figure 4 illustrates a fuel bundle with the heat transfer tube connected in parallel. There be thermionics converters with plane-parallel electrical 50: 11 the heat transfer tube, 23 their d system in a heat transfer tube as egg vapor space, 19 the capillary structure, 20 the ment shell in section and in perspective an "artery" (filled with working fluid), 26 the Kol view, Electrode made of Nb - 1 Zr with sintered-on

F i g. 5 einen Einkolonnenstapel von Brennele- ter Mo-Schicht, 21 den Elektrodenraum, 12 dieF i g. 5 a one-column stack of fuel element Mo layer, 21 the electrode space, 12 the

menten nach F i g. 2 oder 4 in einer Seitenansicht, 55 Emitterbrennstoffüllung (angereichertes UO₂), 13 diements according to Fig. 2 or 4 in a side view, 55 emitter fuel filling (enriched UO ₂ ), 13 the

F i g. 6 das elektrische Schaltbild des Elementsta- Emitterhülle aus Mo oder W, deren Oberfläche denF i g. 6 the electrical circuit diagram of the Elementsta emitter shell made of Mo or W, the surface of which denotes

pels nach F i g. 5, Emitter bildet, 30 eine Schicht abgereichertes UO₂,pels according to FIG. 5, emitter forms, 30 a layer of depleted UO ₂ ,

F i g. 7 ein Kernreaktorgitter aus horizontal ge- 14 die thermische Abschirmung in Gestalt eines Pa-F i g. 7 a nuclear reactor grid made of horizontally 14 the thermal shielding in the form of a pa-

stapelten Brennelementen in einer Vorderansicht. kets von Molybdänscheiben mit Stützsicken, 15 denstacked fuel assemblies in a front view. kets of molybdenum disks with support beads, 15 den

Die F i g. 1 wurde als Stand der Technik eingangs 60 Abschlußdeckel des Emitters, 33 einen Flansch undThe F i g. 1 was initially 60 cover of the emitter, 33 a flange and as the state of the art

bereits beschrieben. 17 einen keramischen Ring zur elektrisch isolieren-already described. 17 a ceramic ring for electrically isolating

Bei dem Brennelement nach F i g. 2 sind die Kon- den und gasdichten Abstützung des Emittersystems verter 10 räumlich nebeneinander in gleicher Orien- auf der Wärmeröhre. Emitterhülle und Brennstoff tierung in die Wärmeübertragungsröhre 11 von bilden einen massiven zylindrischen Vollstab,
rechteckigem Querschnitt eingebaut. Die Konverter 65 Im einzelnen ist die Emitterhülle im oberen Halsumfassen das Emittersystem, bestehend aus der teil 35 aus Gründen der Wärmedämmung in der Kernbrennstoffüllung 12, z, B. UO₂, mit der Emitter- Wandstärke beträchtlich reduziert (Emittertemperahülle 13, z. B. Mo, der thermischen Abschirmung 14, tür etwa 1700° C). Oben ist der Halsteil mit demIn the fuel assembly according to FIG. 2, the condensate and gas-tight support of the emitter system verter 10 are spatially next to each other in the same orientation on the heat pipe. Emitter shell and fuel tierung in the heat transfer tube 11 of form a massive cylindrical solid rod,
installed with a rectangular cross-section. The converter 65 In detail, the emitter envelope in the upper neck encompasses the emitter system, consisting of which part 35 for reasons of thermal insulation in the nuclear fuel filling 12, e.g. UO ₂ , with the emitter wall thickness is considerably reduced (emitter temperature envelope 13, e.g. Mo, the thermal shield 14, for about 1700 ° C). At the top is the neck part with the

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Flansch 33 verlötet. Flansch und Abschlußdeckel 15 rend der Widerstand Y im wesentlichen durch denFlange 33 soldered. Flange and cover 15 rend the resistance Y essentially through the

besitzen bei 36 ein Gewinde. dünnen Halsteil 35 bzw. den eingestülpten Kragenhave a thread at 36. thin neck part 35 or the turned-in collar

Die Molybdänscheiben det thermischen Abschir- 49 (F i g. 3 bzw. 4) der jeweiligen Emitterhülle derThe molybdenum disks det the thermal shielding 49 (Fig. 3 or 4) of the respective emitter shell

mung 14 werden durch ihre Sicken auf Zwischen- Konverter gebildet wird. Elektrisch entsteht so einetion 14 are formed by their beads on intermediate converters. Electrically, one of these is created

abstand gehalten. Im Deckel 15 befindet sich noch 5 zweidimensionale Matrix. Schaltet man in einemkept their distance. In the cover 15 there is still 5 two-dimensional matrix. One switches in one

eine Bohrung 37 für den Durchtritt der Spaltgase Reaktorkern die Kolonnenstapel der Brennelementea bore 37 for the fission gases to pass through the reactor core and the column stacks of the fuel assemblies

nach außen. elektrisch in Reihe, verbindet man also, um im Bildeoutward. electrically in series, so one connects in order to be in the picture

Der Keramikring 17 ist sowohl mit dem Flansch der F i g. 6 zu bleiben, die Pole A der Matrix mit denThe ceramic ring 17 is connected to the flange of FIG. 6 to stay, the pole A of the matrix with the

33 als auch mit der Wärmeübertragungsröhrenwan- Polen B einer entsprechend darüberliegend zu den-33 as well as with the heat transfer tube wall Pole B of a corresponding overlying to the

dung durch Lötung gasdicht verbunden. Flansch und io kenden zweiten Matrix und verfährt man so ent-connection gas-tight by soldering. Flange and io kenden second matrix and proceeding in this way

Wärmeübertragungsröhrenwandung befinden sich im sprechend für alle weiteren Stapel, so kann die inHeat transfer tube walls are in the speaking for all other stacks, so the in

Betrieb auf einer Temperatur von etwa 700° C. F i g. 6 dargestellte Matrix in ihrer Erweiterung alsOperation at a temperature of about 700 ° C. F i g. 6 in its extension as

Durch die Berührung des Bodens des aufsitzenden Schaltschema für den gesamten Reaktorkern gelten. Brennelements 38 mit dem Flansch 33 erfolgt einer- Damit die Brennelemente, wenn sie zum Reaktorseits die elektrische Parallelschaltung der Emitter des 15 kern aufgeschichtet sind, verrückungsfest an ihrem unteren Brennelements und andererseits die elek- Platz bleiben und damit der erforderliche elektrische irische Reihenschaltung der Konvertersysteme beider Kontaktdruck an allen Kontaktstellen der Matrix geElemente. Entsprechendes gilt für das unter dem be- währleistet ist, werden die Brennelemente zumindest trachteten Brennelement befindliche Element 39. am Kopf- und Fußende in Spanngittern gelagert, dieBy touching the bottom of the seated circuit diagram apply to the entire reactor core. Fuel assembly 38 with the flange 33 is carried out so that the fuel assemblies when they are to the reactor side The electrical parallel connection of the emitters of the 15 core are stacked, non-dislodging at their lower fuel assembly and on the other hand the elek- place remain and thus the required electrical Irish series connection of the converter systems with both contact pressure at all contact points of the matrix geElemente. The same applies to that under which is guaranteed, the fuel assemblies are at least sought fuel element located element 39. stored at the head and foot end in grids, the

Die in F i g. 3 beschriebene Konstruktion der ao verdrehungssteif sind und die Brennelemente anein-The in F i g. 3, which are torsionally stiff and the fuel assemblies

Emitterbefestigung gestattet auch, vor dem Einsetzen anderpressen. Eine Ausführungsform für einen Reak-Emitter attachment also allows other crimping prior to insertion. An embodiment for a react

des Kernbrennstoffs in die Emitterhülle den Emitter torkern mit Spanngittern bei liegender Anordnungof the nuclear fuel in the emitter shell the emitter torkern with tension grids in a horizontal arrangement

noch zu Testzwecken durch Elektronenbeschuß zu der Brennelemente zeigt F i g. 7.still for test purposes by electron bombardment of the fuel elements, FIG. 7th

beheizen, denn der Emitter bleibt jederzeit von außen In F i g. 7 sind die Brennelemente 10 am vorderenheat, because the emitter remains from the outside at all times. 7, the fuel assemblies 10 are at the front

her zugänglich. 25 und am hinteren Ende (d. h. am Ende der aktivenaccessible. 25 and at the rear end (i.e. at the end of the active

An Stelle eines massiven Brennstoffstabes kann als Zone; vgl. in F i g. 2 das Ende des Blocks 16) inInstead of a massive fuel rod, a zone can be used; see in FIG. 2 the end of block 16) in

Emitterelektrode auch ein Stab mit hohler Brenn- Spanngittern gelagert, von denen nur das vordereEmitter electrode also mounted a rod with hollow focal grids, of which only the front one

stoffüllung verwendet werden. Das hat den Vorteil, Gitter in der Figur sichtbar ist. Es besteht aus derfabric filling can be used. This has the advantage of lattice being visible in the figure. It consists of the

daß der Emitter mit eingebautem Brennstoff elek- Bodenplatte 63, den Spannstangen 64 und der Deck-that the emitter with built-in fuel elec-

trisch beheizt werden kann. 3° platte 65. Die Deckplatte wird durch Muttern 66 undcan be heated trically. 3 ° plate 65. The cover plate is secured by nuts 66 and

Während vorstehend ein Brennelement mit Ther- Federringe 67 gegen die obere Lage der Brenn-While above a fuel assembly with thermal spring washers 67 against the upper layer of the fuel

mionik-Konvertern mit koaxialem Elektrodensystem elemente angepreßt. Hierdurch werden alle Elementemionic converters with coaxial electrode system elements pressed on. This will make all the elements

beschrieben wurde, sei nunmehr unter Bezugnahme der drei Kolonnen unter Anpreßdruck gesetzt, sowas described, is now set with reference to the three columns under pressure, so

auf F i g. 4 das System mit planparallelen Elektroden daß eine elektrisch sichere Kontaktgabe erfolgt,on F i g. 4 the system with plane-parallel electrodes that an electrically safe contact is made,

erläutert. 35 Falls die Kolonnen elektrisch in Reihe geschaltetexplained. 35 If the columns are electrically connected in series

Eine abgeplattete Wärmeröhre 11 mit Kapillar- werden, was in F i g. 7 angenommen ist, müssen die struktur 19 und »Arterie« 20 trägt an der Oberseite Boden- und die Deckplatte zumindest elektrisch isoauf Keramikringen 17 eine Reihe Emitterelektroden lierende Überzüge 68, 69 an der Elementseite auf-44, die Kernbrennstoff 12 enthalten. Wie im Fall der weisen. Die Spannstangen 64 besitzen in jedem Fall Fig. 3 ist der Emitter oben mit einer thermischen 40 elektrisch isolierende Überzüge 7, um die Brenn-Absehirmung 14 ausgestattet und mit einem Deckel elementlagen nicht elektrisch kurzuschließen. Die Beverschlossen, welcher ein Spaltgasloch 37 aufweist. zugszeichen 15 und 17 bezeichnen wieder die Isolier-Die Keramikringe sind an der Unterseite mit der und Flanschringe der Emitter.
Wärmeübertragungsröhre, an der Oberseite jeweils Die Reihenschaltung der Kolonnen wird z. B. so mit einem Flanschring 33 verlötet. An den Flansch- 45 ausgeführt, daß die gemeinsame Klemme der Emitter ringen ist der Emitter durch einen eingestülpten Kra- des oberen Brennelements der Kolonne I mit der gen 49 befestigt, der im Betrieb die Tendenz hat, den Stirnfläche des unteren Brennelements der Kolonne II Emitter nach oben zu bewegen. Er bildet zugleich und die gemeinsame Klemme der Emitter des oberen die bereits in Verbindung mit F i g. 3 erwähnte Brennelements der Kolonne II mit der Stirnfläche des Wärmedämmung. Die Parallelschaltung der Emitter 50 unteren Brennelements der Kolonne III verbunden und die Serienschaltung der Konverter geschieht wie- wird.A flattened heat pipe 11 with capillary, which is shown in FIG. 7, the structure 19 and "artery" 20 must have a series of coatings 68, 69 on the element side, which contain nuclear fuel 12, on the upper side of the base plate and the top plate at least electrically insulated on ceramic rings 17. As in the case of the wise. The tension rods 64 have in each case Fig. 3, the emitter is equipped at the top with a thermal 40 electrically insulating coating 7 around the fire shielding 14 and with a cover element layers do not electrically short-circuit. The closed, which has a gap gas hole 37. Numeral 15 and 17 again denote the insulating The ceramic rings are on the underside with the and flange rings of the emitter.
Heat transfer tube, at the top each. The series connection of the columns is z. B. so soldered to a flange ring 33. The emitter is fastened to the flange 45 by an inverted collar of the upper fuel element of the column I with the gene 49, which during operation has the tendency towards the end face of the lower fuel element of the column II emitter to move up. It forms at the same time and the common terminal of the emitter of the upper one already in connection with F i g. 3 mentioned fuel element of column II with the end face of the thermal insulation. The parallel connection of the emitter 50 is connected to the lower fuel element of the column III and the series connection of the converters is done again.

der durch den Boden des auf das dargestellte Brenn- Falls die Elemente der Kolonne lagenweise parelement aufzusetzenden zweiten Elements, das dabei allel geschaltet werden sollen, kann das durch stirnauf den Flanschringen 33 aufsitzt. seitige Verbinder geschehen.through the bottom of the burning case the elements of the column in layers parelement The second element to be added, which should be switched allele, can be done by forehead the flange rings 33 is seated. side connectors happen.

In F i g. 5 ist ein Einkolonnenstapel von drei über- 55 Zweckmäßig wird der ganze Reaktorkern in seinem einandergeschichteten Brennelementen 50, 51, 52 der Behälter auf Isolatoren gelagert.
Art nach F i g. 2 oder 4 mit jeweils nur drei Ther- Beispielsweise kann das Brennelement auch die mionik-Konvertern 53 bis 55, 56 bis 58 und 59 bis Gestalt einer flachen, kreisscheibenförmigen Dose be-61 für jedes Element ausschnittweise in einer Seiten- sitzen, die über ihr ganzes Volumen mit parallelgeansicht dargestellt. Das zu dem Stapel gehörende 60 schalteten Konvertern besetzt ist und so eine ganze elektrische Schaltschema zeigt F i g. 6. Elementlage in einem Reaktorkern bildet. Die Kolin F i g. 6 symbolisieren die Dioden 53' bis 61' die lektorelektroden können aus einzelnen, mit Drahterwähnten neun Konverter. Die Widerstände X und Y gewebe überzogenen Zylindern bestehen, die fest in stellen die elektrischen Parallel- und Reihenschal- die Wärmeübertragungsröhren eingeschweißt sind,
tungswiderstände des Elementstapels dar. Der Wider- 65 Auch die Abstützung der Brennelemente innerhalb stand X wird durch das Wandmaterial der Wärme- der Kolonnen kann in anderer als der erläuterten Übertragungsröhre in Längsrichtung des Brenn- Weise erfolgen. Zum Beispiel kann jedes Brennelements zwischen zwei Konvertern gebildet, wäh- element mit einer elektrisch isolierenden Platte ab-In Fig. 5 is a one-column stack of three over- 55 The entire reactor core is expediently stored in its stacked fuel elements 50, 51, 52 of the containers on insulators.
Art according to fig. For example, the fuel element can also have the mionic converters 53 to 55, 56 to 58 and 59 to be in the form of a flat, circular disk-shaped can for each element in a side that is located above it whole volume shown with parallel view. The 60 switched converters belonging to the stack are occupied and so a whole electrical circuit diagram is shown in FIG. 6. Element layer forms in a reactor core. The Kolin F i g. 6 symbolize the diodes 53 'to 61' the lektorelectrodes can consist of nine individual converters, mentioned with wire. The resistors X and Y consist of fabric-covered cylinders, which are firmly welded into the electrical parallel and series circuit - the heat transfer tubes,
The resistance of the fuel assemblies within stand X is also provided by the wall material of the heating columns. For example, each fuel assembly can be formed between two converters, selectable with an electrically insulating plate.

gedeckt werden, die im Bereich der Emitterfüße gelocht und dicker gehalten ist als die Höhe der Füße. Die Füße können dann an der Oberseite eine gewllte, elastische Kontaktauflage tragen, die als elektrischer Reibkontakt gegen den Boden des auf der Isolier- I platte aufsitzenden Brennelements wirkt.be covered, which is perforated in the area of the emitter feet and kept thicker than the height of the feet. The feet can then wear a corrugated, elastic contact pad on the top, which acts as an electrical Frictional contact acts against the bottom of the fuel element seated on the insulating plate.

Bei der in F i g. 7 beschriebenen Reaktorkernanordnung ist kein Moderator oder Reflektor vorgesehen. Soll eine Moderation und/oder Reflexion stattfinden, werden entsprechende Elemente aus moderierenden oder reflektierenden Substanzen in oder an das Gitter gesetzt, die mit einer Wärmeübertragungsröhre gekühlt werden. Man kann aber auch die beschriebenen Brennelemente mit moderierenden oder reflektierenden Schichten ausstatten oder einfach in die Spalte des Reaktorkerns entsprechend elektrisch isolierte Moderatorplatten einfügen bzw. an der Kernaußenseite ansetzen.In the case of the in FIG. 7, no moderator or reflector is provided for the reactor core arrangement described. Should a moderation and / or reflection take place, are corresponding elements from moderating or reflective substances in or placed on the grid, which are cooled with a heat transfer tube. But you can too equip the fuel assemblies described with moderating or reflective layers or simply Insert or insert electrically insulated moderator plates into the gaps in the reactor core. apply to the outside of the core.

Claims

Claims: ao

1. Thermionic converter fuel assembly for nuclear reactors with arranged inside the emitter Nuclear fuel and several converters arranged next to each other, in which the as Emitter electrode of each converter with the help of those located between the electrodes electrical insulation on a heat pipe that carries the heat of reaction discharges, is supported gas-tight and designed as an electrical contact and the wall of the The evaporation zone of the heat transfer tube is also the collector electrode of each converter is, characterized in that all converters (10) of the fuel assembly in the same Orientation to a heat transfer tube (11) common to them are arranged that the Part (15) of the emitter electrode, which is designed as an electrical contact, protruding part the common outer surface of the converter fuel assembly and on the electrical insulation (17) rests and that the heat transfer tube wall is a further part of the Forms converter fuel assembly surface.

2. Fuel element with a coaxial electrode system according to claim 1, characterized in that that the round rod-shaped emitter in corresponding cylindrical recesses of the then prismatically held heat transfer tube or accordingly in one located therein Immerse the massive collector block (16) and the walls of the recesses the collector electrodes (26) are.

3. Fuel element with a flat electrode system according to claim 1, characterized in that one side wall of the heat transfer tube serves directly as a collector electrode and the plate f shaped emitters (44) from the insulation (17) on the same side wall at the required spacing is held.

For this purpose 2 sheets of drawings 909510/933