DE1439792A1

DE1439792A1 - Nuclear reactor fuel assembly

Info

Publication number: DE1439792A1
Application number: DE19621439792
Authority: DE
Inventors: Sayers John Brian
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1961-11-03
Filing date: 1962-10-30
Publication date: 1969-01-09
Also published as: ES282107A1

Description

Kernreaktor-Brennelement Die Erfindung bezieht sich auf Brennelemente für Kernreaktoren mit einem äußeren Ring aus einem ersten nichtmetallischen Material, welcher an seinem Innenumfang abgestützt ist, wobei das genannte erste nichtmetallische Material mit einem Spaltstoff angereichert ist.Nuclear Reactor Fuel Assembly The invention relates to fuel assemblies for nuclear reactors with an outer ring made of a first non-metallic material, which is supported on its inner periphery, said first non-metallic Material is enriched with a fissile material.

Es ist bekannt, bei einer der vorgezogenen Ausführungsformen für Brennelemente ein nichtmetallisches Spaltmaterial in einer Schutzhülle oder einem Schutzbehälter einzuschließen.It is known in one of the preferred embodiments for fuel assemblies a non-metallic gap material in a protective cover or a protective container to include.

r Einer der Vorteile bei der Verwendung von nichtmetallischen Spaltmaterialien, z.B. Oxyden und Karbiden, anstelle-von spaltbarem Metall besteht darin, daß man sie eine viel höhere Temperatur erreichen lassen kann, ohne daß sie schmelzen. Bedauerlicherweise kann jedoch bei diesen höhere Temperaturen der Druck, der durch die gasförmigen während der Bestrahlung in einem Kernreaktor freiwerdenden Spaltprodukte ausgeübt oder erzeugt wird, sehr hoch sein,-und wenn das Spaltmaterial die Form einer festen Masse hat, ist eine relativ-dicke bzw:-starke und feste Hülle erforderlich, was aber wiederum-aus Gründen des Neutronenhaushalts unerwünscht ist. Die Verwendung eines nichtspalt= baren metallischen Matrixmaterials für den Brennstoff, d.he ein Cernet (Keramik®Metall-Verbundstoff), hat-den Vorteil, daß durch die hohe Zeitfähigkeit des Brennstoffs sichergestellt wird, daß die Temperatur, die in der Mitte des Brenelementes besteht, nicht so hoch ist, aber die Verwendung eines Cermets hat wiederum andere Schwierigkeiten zur Folge. -Es ist vorgeschlagen worden,-höhle,oder ringförmige Körper oder "Pellets" aus Spaltmaterial zu verwenden, wobei beabsichtigt oder'ängestrebt wird, daß genügend freier Hohlraum vorhanden ist, damit sich die Spältproduktgase in den Räumen sairrieln können, ahne.daßen übermäßig starker Druck entsteht; aber es hat sich herausgestellt, daß das Spaltmaterial so spröde und brüchig iIst, daß ein Thermalschock oder -stoß während der Bestrahlung beinähe unvermeidlich ein Zubruchgehen der,Pellets verursacht,. was zur Folge hat, daß Teilchen aus Spaltmaterial sich ani Boden der Hülle sammeln können- und, somit örtlich überhitzte stellen verursachen. Durch darauffolgende mechanische Stöße bei der Handhabung wird diese Sachlage nur noch verstärkt bzw. verschlechtert. Bei Temperaturen oberhalb 16000C erfolgt :ein beträchtlicher Kornwachstum, was den Vorteil hat, daß das Mittelteilstück der Pellets zusammenbindet.r One of the advantages of using non-metallic fissile materials, e.g. oxides and carbides, instead of fissile metal, is that one they have a much higher temperature can be achieved without they melt. Unfortunately, however, at these higher temperatures the Pressure created by the gaseous released during irradiation in a nuclear reactor Fission products exerted or generated can be very high -and if the fissile material has the form of a solid mass, is a relatively-thick or: -strong and solid shell required, which in turn is undesirable for reasons of the neutron balance. The use of a non-fissile metallic matrix material for the fuel, i.e. a cernet (ceramic®-metal composite) has the advantage that due to the high Time capability of the fuel ensures that the temperature that is in the The middle of the fuel element is not that high, but the use of a cermet again creates other difficulties. -It has been suggested, -cave, or using annular bodies or "pellets" of fissile material, being intended oder'änft is that there is enough free cavity so that the Fission product gases can sairrieln in the rooms, foreseeing that there is excessive pressure arises; but it has been found that the fissile material is so brittle and fragile It is almost inevitable that a thermal shock or shock during irradiation is almost inevitable causing the pellets to break down. which has the consequence that particles of fissile material can collect at the bottom of the shell and thus locally overheated places cause. This state of affairs only becomes apparent through subsequent mechanical impacts during handling increased or worsened. At temperatures above 16000C: on considerable grain growth, which has the advantage that the middle section of the pellets binds together.

üs ist auch vorgeschlagen worden (USA-Patentschrift 2 $64 758), die Pellets@durch einen Kern aus nichtspaltbarem,feuerfestem Material, z--.B. Magnesiumoxyd, abzustützen, aber oberhalb einer Temperatur von ungefähr 1600°C wandert /migrates/ das Magnesiumoxyd bzw, wird unstabil und ist außerstande, seine Funktion Zu erfüllen. Daher ist der Zweck der Erfindung die Schaffung eines neuen oder verbesserten Brennelementes für Kernreaktoren, bei dem der äußere Ring an seinem Innenumfang durch einen Haltebauteil aus einem zweiten nichtmetallischen Material abgestützt ist und das zweite nichtmetallische Material in Spaltstoff abgereiehert ist..üs has also been suggested (US Pat. No. 2 $ 64,758) that Pellets @ through a core made of non-fissile, refractory material, e.g. Magnesium oxide, but above a temperature of about 1600 ° C migrates / the magnesium oxide or becomes unstable and is unable to fulfill its function. Hence the purpose of the invention is to provide a new or improved fuel assembly for nuclear reactors, in which the outer ring on its inner circumference by a retaining component is supported from a second non-metallic material and the second non-metallic Material is deducted in fissile material ..

Es versteht sich natürlich, daß aus Gründen der Verträglich- i keit es wünschenswert ist, daß das Halterungsmaterial die gleiche chemische Verbindung des gleichen Spaltelementes wie der Brennstoffring ist, und somit unterscheidet es sich lediglich durch den Grad der Anreicherung. Es ist sehr wünschenswert, daß das nichtmetallische Spaltmaterial das Oxyd ist, und es ist zweckmäßig, das Halterungsmaterial zu einem Ring zu formen, damit ein freier - Raum für die gasförmigen Spaltprodukte verbleibt. Die Pellets gemäß der Erfindung sind natürlich in einer Hülle eingeschlossen, welche abgedichtet ist, um eine Berührung zwischen dem Spaltmaterial und dem Kühlmittel zu verhüten, wodurch ein vollständiges-Brennele-, ment geschaffen wird. Es ist typisch, die Hülle aus rostfreiem Stahl herzustellen und mit Helium. zu füllen.It goes without saying that for reasons of compatibility it is desirable that the mounting material have the same chemical compound of the same gap element as the fuel ring, and therefore different it is only determined by the degree of enrichment. It is very desirable that the non-metallic gap material is the oxide, and it is expedient to use the support material to form a ring, so that a free one - Space for the gaseous Fission products remain. The pellets according to the invention are of course in one Enclosed sheath which is sealed to prevent contact between the gap material and prevent the coolant, thereby creating a complete fuel assembly will. It is typical to make the shell out of stainless steel and with helium. to fill.

Es versteht. sich, daß die maximale Brennelementtemperatur von, vielen Faktoren abhängt, aber im allgemeinen ist es se2iBtverständlich, daß,-je höher-die Außentemperatur des Felleu ist, desto höher die Hüllenoberflächentemperatur ist und desto- .It understands. that the maximum fuel element temperature of, many Depends on factors, but in general it is self-evident that -the higher-the The outside temperature of the skin, the higher the surface temperature of the skin and desto-.

mehr Wärme nach dem Kühlmittel übertragen wird. Für eine gegebene Außentemperatur hängt die Innen- (oder Maximal-) Temperatur vom Innendurchmesser, der Heizrate bzw. dem Aufheizausmaß - .v und anderen Faktoren ab.more heat is transferred after the coolant. For a given Outside temperature, the inside (or maximum) temperature depends on the inside diameter, the heating rate or the degree of heating - .v and other factors.

Gemäß der Erfindung ist es beispielsweise vorteilhaft, ein Pellet in.Form eines Brennstoffrings: in Erwägung zu ziehen, der aus Uran-Dioxyd hergestellt ist, welches auf 2%-Uran-235 angereichert ist, wobei dieses Pellet ringförmig ist und einen Außendurchmesser von cam 24 mm hat: Es verdient hervorgehoben zu werden, d aß innerhalb gewisser Grenzen die Länge unwichtig st$ aber eine Dänge von 12,7 mm ist geeignet. Der Sollwert . .des Brennstoffrings ist 20 Wattig Uran-Dioxyd, und die Oberflächentemperatur beträgt 75000. Auf der Basis der im Vorstehenden genannten Angaben ist der Innendurqhmesser des Brennstoffrings ca. 14,7 mm und die Innenflächentempeüatur beträgt '(4,5000. Der ,Innen- oder Halterungsring ist aus abgereichertenlUran-Dioxyd hergestellt, welches nur 0,43% Uran-235 enthält, und hat einen Außendurchmesser von ca. 14,6 mm. Bei einem Sollwert von 3,7 Watt/g für diesen Ring und einer Außentemperatur von 157000 (infolge des Gasspaltes) hat der- Halterungsring eine Innenflächentemperatur von 16100G bei einem Durchmesser von ca. 9,5 mm. Je ab- " gereicherter das Uran-Dioxyd des Halterungsrings, um so bessere Resultate werden erzielt.According to the invention it is advantageous, for example, to consider a pellet in the form of a fuel ring, which is made of uranium dioxide enriched in 2% uranium-235, this pellet being ring-shaped and having an outside diameter of cam 24 mm has: It deserves to be emphasized that, within certain limits, the length is unimportant, but a length of 12.7 mm is suitable. The setpoint. The fuel ring is 20 watts of uranium dioxide and the surface temperature is 75,000. Based on the information given above, the internal diameter of the fuel ring is approximately 14.7 mm and the internal surface temperature is 4.5,000 The retaining ring is made of depleted uranium dioxide, which contains only 0.43% uranium-235, and has an outer diameter of approx. 14.6 mm. With a nominal value of 3.7 watts / g for this ring and an outside temperature of 157000 ( due to the gas gap) the retaining ring has an inner surface temperature of 16100G with a diameter of approx. 9.5 mm. The more depleted the uranium dioxide in the retaining ring, the better the results.

. Es ist zu beachten, daß in diesem besonderen Beispiel. der Halterungsring eine Temperatur hat, bei welchen ein Kornwachstum in einem gewissen Ausmaß stattfindet, wodurch ein gewisser zusätzlicher Halt geschaffen wird, aber der Temperaturunterschied am Halterungsring, ist so gering, daß die Gefahr der Rissebildung sehr unwahrscheinlich ist. Darüber hinaus ist der Abbrand im Vergleich zum Brennstoffring so niedrig, daß die DrucsIverstärkung durch den Halterungsring klein ist, weil das rreiw#rden von beträchtlichen Mengen Spaltproduktgas a.r unwahrscheinlich ist. Andererseits ergibt. aber die beträchtliche Dickenabmessung des Verbundrings eine beträchtliche Festigkeit, ohne daß der Nachteil eines übermäßigen Temperaturanstiege auftritt, und dies trägt dazu bei, ein mechanisches und thermisches Zubruchgehen und Auseinanderfallen_des Verbundrings zu vermeiden. Darüber hinaus wird kein parasitäres 'Material zugefügt, und der Grad der Anreicherung des Brennstoffringes kann etwas:verringert bzw® leicht herabgesetzt werden.. It should be noted that in this particular example. the retaining ring has a temperature at which grain growth takes place to a certain extent, creating some extra hold, but the temperature difference on the retaining ring is so small that the risk of cracking is very unlikely is. In addition, the burn-up is so low compared to the fuel ring, that the pressure gain through the retaining ring is small, because that would cause it of considerable amounts of fission product gas a.r is unlikely. on the other hand results. but the considerable thickness dimension of the composite ring is a considerable one Strength without the disadvantage of excessive temperature rises occurs, and this contributes to a mechanical and thermal breakdown and disintegration_des Avoid composite ring. In addition, no parasitic material is added, and the degree of enrichment of the fuel ring can be something: reduced or slightly be reduced.

Claims

Claims 1 @ Nuclear reactor fuel assembly with an outer ring made of a first non-metallic material which is supported on its inner circumference wherein said first non-metallic material is enriched with a fissile substance is, characterized in that the outer Hing on its inner circumference by a Holding component made of a second non-metallic material is supported and that second non-metallic material is depleted in fissile material. z.

Fuel assembly according to claim 1, characterized in that the enriched and depleted Fissile materials have the same chemical compound of the same fissile element are. .

3. Fuel element according to claim 2, characterized in that that the fissile material is uranium dioxide:.

4. Fuel assembly according to claim 1 to 3; through this characterized in that the depleted fissile material is in the form of a ring.

5. Fuel element after. Claim 1 to 4, characterized in that the enriched Gap material is enclosed in a stainless steel sheath.

6. fuel assembly according to claim 5, characterized in that - "the envelope is filled with helium.