DE1439924A1

DE1439924A1 - Fuel rod for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1439924A1
Application number: DE19611439924
Authority: DE
Inventors: Amore Mead D
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1960-09-29
Filing date: 1961-09-21
Publication date: 1969-10-23

Description

Brennstab für Kernreaktoren (Für diese Anmeldung wird die Priorität -aus der entsprechenden USA-Anmeldung, Serlal No. 59.421 beansprucht) Die Erfindung bezieht sich auf' einen Brennstau: für Kernreaktoren,. der im wesentlichen aus einer durch ein NCillrohr umgebenen und durch Querwände in einzelne Abschnitte unterteilten Slule von Kernbrennstofftabletten besteht. Es sind Bauformen bekannt geworden, bei denen der Brennstab durch eingeschweißte oder engelUt4ete ^uerwinde in mehrere voneinander gasdicht getrennte und den jpaltstoff' enthaltende Kammern unterteilt ist. Diese Aufteilung hat den Zweck, im falle einer Beschädigung des Brennstabes den Aastritt der Spaltprodukte in das Kühlmittel zu begrenzen. Es sind aber auch andere Brennstäbe bekannt geworden, die keine derartige Aufteilung in Kammern besitzen und die nur aus einem äußeren Hüllrohr und darin angebrachtem Brennstoff, meistens in Tablettenform, bestehen. Diese Brennstäbe haben gegenüber den vorgenannten den Vorteil eines»wesentlieh einfacheren Aufbaus und eines etwas geringeren Bedarfs an Strukturmaterial. Sie haben jedoch den großen Nachteil, daß während des Betriebes durch die Wärmeausdehnung der Spaltstofftabletten und die dadurch hervorgerufene Bewegung in der Spaltstoffsäule ein mecha- nisches Verklemmen der einzelnen Tabletten mit dem Hüllrohr statt- finden kann. Durch derartige Erscheinungen wird die Ausdehnungsfrei- heit von Teilen der Spaltstoffsäule-gehemmt, so daß auf das Hüllrohr u.U. unzulässig hohe Spannungen einwirken, die zur Deformation bzw. Beschädigung derselben Anlaß geben können. Diese Erscheinungen werden durch die vorliegende Erfindung mit Sicherheit vermieden bzw. auf ein für den Brennstab ungefährliches Maß herabgesetzt. Sie bedient sich dabei der an sich bekannten, zum Stand der Technik gehörenden, Einteilung eines Brennstabes in einzelne Abschnitte.Fuel rod for nuclear reactors (For this application priority is claimed from the corresponding USA application, Serlal No. 59.421) The invention relates to a fuel stagnation: for nuclear reactors. which essentially consists of a column of nuclear fuel pellets surrounded by an NCill tube and divided into individual sections by transverse walls. Structures have become known in which the fuel rod is subdivided into several chambers, which are separated from one another in a gas-tight manner and which contain the fuel, by means of welded-in or angular windings. The purpose of this division is to limit the penetration of the fission products into the coolant in the event of damage to the fuel rod. However, other fuel rods have also become known which do not have such a division into chambers and which only consist of an outer cladding tube and fuel attached therein, mostly in tablet form. Compared to the aforementioned fuel rods, these fuel rods have the advantage of a substantially simpler structure and a somewhat lower requirement for structural material. However, they have the great disadvantage that during operation, due to the thermal expansion of the fissile substance tablets and the resulting movement in the fissile substance column, mechanical jamming of the individual tablets with the cladding tube can take place. Such phenomena inhibit the freedom of expansion of parts of the column of fissile material, so that under certain circumstances inadmissibly high stresses act on the cladding tube, which can give rise to deformation or damage to the same. These phenomena are avoided with certainty by the present invention or reduced to a level which is harmless to the fuel rod. In doing so, it makes use of the prior art division of a fuel rod into individual sections, which is known per se.

Erfindungsgemäß sind die gleichzeitig zur Wärmeableitung dienenden :"uerwände an ihrem zylindrischen Au3enrand mit einer Ringnut und in ihrer Mitte mit einem durchgehenden Loch versehen und durch Finformen des Hüllrohres in die Ringnut sowie auch abschließendes Verlöten mechanisch unlösbar und gut wärmeleitend mit dem Hülirohr verbunden. Die Figuren 1 - 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im einzelnen zeigt die Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstab. Die Figur 2 zeigt die Seitenansicht einer Querwand, Figur 3 die frontale Ansicht einer Querwand, Figur 4 die mechanische Befestigung einer derartigen Querwand im 111i 11 rohr und Figur 5 einen Querschnitt durch eine derartige Stelle entlang der Linie V-V.According to the invention, the outer walls, which also serve to dissipate heat, are provided on their cylindrical outer edge with an annular groove and in their center with a continuous hole and are mechanically inseparable and connected to the envelope tube with good thermal conductivity by shaping the cladding tube into the annular groove and finally soldering it 1-5 show an exemplary embodiment of the present invention, in detail a longitudinal section through a fuel rod according to the invention is shown in FIG. 2 shows the side view of a transverse wall, FIG. 3 the frontal view of a transverse wall, FIG 11 tube and FIG. 5 shows a cross section through such a point along the line VV.

Bezugnehmend auf Figur 1 ist das Brennelement mit 0 bezeichnet und besteht äußerlich aus einem langgestreckten Hüllrohr 12, das aus einem Material gefertigt sein kann, das die erforderlichen strukturellen, chemischen und kernphysikalischen Eigenschaften besitzt. Beispielsweise kann für ein derartiges Hüllrohr 12 rostfreier Stahl oder eine Zirkonlegierung infrage kommen: Das Hüllrohr ist an seinen beiden Enden mit den Endkappen 30 gasdicht in bekannter Weise abgeschlossen. Innerhalb desselben befindet sich eine größere Anzahl von Kernbrennstofftabletten 14, die durch Querwände aus gut wärmeleitendem Material in einzelne Abschnitte unterteilt ist. Damit der wzhrcnd des Reaktorbetriebes sich sehr hoch erwärmende Kern der Brennstofftabletten 22 nicht in Beriihrung mit den Querwänden oder Abstandsscheiberl l(-,kommt, sind diese in der Mitte mit einer großen durchgehenden Bohrung versehen. Auf diese Weise werden BeachNdigungen oder gar ein S(-hmelzen dieser ^uerwände 16 vermieden.Referring to Figure 1, the fuel assembly is denoted by 0 and consists externally of an elongated cladding tube 12, which is made of a material can be manufactured that has the required structural, chemical and nuclear physics Possesses properties. For example, it is possible for such a cladding tube 12 to be rustproof Steel or a zirconium alloy come into question: The cladding tube is on both of them Ends closed with the end caps 30 in a gas-tight manner in a known manner. Within the same is a larger number of nuclear fuel pellets 14, the divided into individual sections by transverse walls made of material that conducts heat well is. So that the core of the fuel pellets heats up to a very high level during reactor operation 22 are not in contact with the transverse walls or the spacer disks l (-, come, are provide this with a large through hole in the middle. In this way Attention or even melting of these outer walls 16 are avoided.

Wie die Figur 1 zeigt, sind die ",uerwände in diesem B:3iapiel verhältnisrr3(@ig dick gehalten. Diese Dimensionierung wurde gewählt, damit die Warme von den Stirnseiten 24 der S@:al ts tof'f'table Uten IC@C@ ;- liehst gut auf' da.3 vom Kiihlmittel umflossene Hüllrohr des Brennstabes i:bertragen wird. In diesem Zusammenhang sei därauf' verwiesen, daß der Brennstoff beispielsweise aus Urandioxyd bestehest kann, und evtl. mit Uran 235 angereichert ist.As FIG. 1 shows, the outer walls in this B: 3iapiel are kept relatively thick. This dimensioning was chosen so that the heat from the end faces 24 of the S @: al ts tof'f'table Uten IC @ C @ ; - is easily transferred to the cladding tube of the fuel rod surrounded by the coolant. In this connection, it should be noted that the fuel can consist of uranium dioxide, for example, and is possibly enriched with uranium 235.

Die Abstandsscheiben 16 sind in ihren Radien so bemessen, daß sie möglichst genau in das Hüllrohr hineinpassen. Es ist dabei notwendig, sie an bestimmten Stellen entlang des Hüllrohres mit demselben zu fixieren. Dies geschieht am zweckmäßigsten während des Herstellungsvorganges des Brennstabes. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß falls sich eine Tablette mit dem Hüllrohr verklemmen sollte, nur eine geringe Anzahl von Spaltstofftabletten in'ihrer Wärmeausdehnung behindert wird, so daß die auf das Hüllrohr übertragenen Spannungen nicht zu-einer Beschädigung desselben führen können. Selbstverständlich kann von vornherein zwischen der Spaltstoffsäule und der nachfolgenden 131.uerwand 16 ein kleiner Abstand gelassen werden, damit sich die Tabletten ungehindert in den durch die Querwände geschaffenen Abteilungen des Brennstabes ausdehnen-können: Wie in Figur 2 und 3 gezeigt, hat jede dieser Scheiben 16 eine Bohrung 20, deren Aufgabe bereits beschrieben wurde. Außerdem besitzt sie auf' ihrem zylindrischen Rand 26 eine ringförmige Nut 28. Der durch diese Formgebung der Querwand entstehende Ringteil 18 dient, wie bereits erwähnt, zur zusätzlichen-Wärmeableitung aus den Tabletten. Die Bohrung 20 hat außerdem die Aufgabe, einen Druckausgleich der Spaltgase, die in einzelnen Abteilungen evtl. in unterschiedlichem Maß entstehen können, auf' der gesamten Länge des Brennstabes herbeizuführen. Die Befestigung der Scheibe 16 erfolgt im Zuge der Füllung der Hüllrohre mit Kernbrennstofftabletten etwa folgendermaßen: .Nach Einsatz der für einen Abschnitt vorgesehenen Anzahl von Brennstofftabletten wird eine Scheibe 16 auf einen Haltedorm gesetzt, in das Hüllrohr eingefahren und auf den gewünschten Ausdehnungsabstand zu dem bereits eingefüllten Nernbrennstofftabletten gebracht. Dies kann beispielsweise auf einfachste Art und Weise dadurch geschehen, daß der Haltedorn um dieses Abstandsmaß über die Scheibe 16 vorsteht und zum Anschlag an die bereits eingefüllten Tabletten gebracht wird. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es zum Schutz der Endkappen 30 zweckmäßig ist, am Anfang und am Ende der Spaltstoff Säule ebenfallaje-eine Abstandsscheibe, in dieser Stellung mit 32 bezeichnet, anzuordnen. Gleichzeitig wird eine mit dem Vorschub des Haltedornes oder -Stabes gekuppelte Rolleinrichtung eingeschaltet, die das HÜllrohr ringförmig in die Nut 28 der eingeschobenen Scheib6. 16 eindrückt.The radii of the spacer disks 16 are dimensioned so that they fit as precisely as possible into the cladding tube. It is necessary to fix them at certain points along the cladding tube with the same. This is most expediently done during the manufacturing process of the fuel rod. This arrangement ensures that if a tablet should jam with the cladding tube, only a small number of fissile substance pellets are hindered in their thermal expansion, so that the stresses transferred to the cladding tube cannot lead to damage of the same. Of course, a small distance can be left from the start between the column of fissile material and the following 131. door wall 16 so that the tablets can expand unhindered in the compartments of the fuel rod created by the transverse walls: As shown in FIGS. 2 and 3, each of these disks 16 a bore 20, the task of which has already been described. In addition, it has an annular groove 28 on its cylindrical edge 26. The ring part 18 created by this shape of the transverse wall serves, as already mentioned, for additional heat dissipation from the tablets. The bore 20 also has the task of equalizing the pressure of the fission gases, which may possibly arise to different degrees in individual departments, over the entire length of the fuel rod. The attachment of the disk 16 takes place during the filling of cladding tubes with nuclear fuel pellets as follows: .After use of the provided for a portion number of fuel pellets is placed a disc 16 to a Haltedorm, retracted in the jacket tube and is already filled to the desired extension distance to the Brought nuclear fuel tablets. This can be done in the simplest way, for example, in that the holding mandrel protrudes by this distance from the disk 16 and is brought to a stop against the tablets that have already been filled. In this context, it should be mentioned that to protect the end caps 30 it is expedient to also arrange a spacer disk, denoted by 32 in this position, at the beginning and at the end of the column of fissile material. At the same time, a rolling device coupled with the advance of the holding mandrel or rod is switched on, which the sleeve tube ring-shaped in the groove 28 of the inserted disk 6. 16 pushes in.

a Diesen Zustand mit der eingedrückten Sicke 34 zeigt der (,uerschnitt durch eine solche Verbindungsstelle nach Figur 4. Es ist dabei zu erwähnen, daß selbstverständlich auch nur ein punktförmiges Eindriicken des Hüllrohres in die Ringnut 28'der Seheibe 16 durchgeführt zu werden braucht, wie es in Figur 5 dargestellt ist. a This state with the indented bead 34 is shown by the (, cross-section through such a connection point according to FIG it is shown in FIG.

Nach dieser mechanischen Befestigung einer Querscheibe 16 wird die Aufnahmevorrichtung aus dem Hüllrohr herausgezogen, wiederum eine weitere Anzahl von Tabletten eingeführt und in vier beschriebenen Weise die nächsten Auerscheibe eingesetzt. Nach Füllung des HüllrohrQ.After this mechanical attachment of a transverse disk 16 is the Receiving device pulled out of the cladding tube, again another number of tablets and the next Auerscheibe in four ways described used. After filling the duct Q.

wird die andere Endkappe 30 aufgesetzt. Die Endkappen sind bereits mit.einem Kotüberzug versehen und werden anschließend mit dem Hüllrohr im Schutzgasofen-hart verlötet. Dabei ist es zweckmäßig; auch die eingesetzten Scheiben 16 mit dem Hüllrohr zu verlöten. Sie werden für diesen Fall ebenfalls vor ihrem Einsatz auf ihrem zylindrischen Rand 26 mit einem Lotmaterial versehen. Sämtliche Lötaufgaben können somit in einem Arbeitsgang entweder in einem geschlossenen Ofen oder im Durchlaufverfahren, z.8. induktiv durchgeführt werden.the other end cap 30 is put on. The end caps are already provided with a manure cover and are then brazed to the cladding tube in a protective gas furnace. It is useful here; also to solder the inserted disks 16 to the cladding tube. In this case, they are also provided with a solder material on their cylindrical edge 26 before they are used. All soldering tasks can thus be carried out in one operation either in a closed oven or in a continuous process, e.g. 8. be carried out inductively.

In diesem Zusammenhang sei besonders daraufhingewiesen, daß gegenüber bekannten Herstellungsverfahren für Brennstäbe, bei denen das Hüllrohr durch nachtr(igliches Ziehen verformt wird, in diesem Fall' keine Streckung des Hüllrohres nach seiner Füllung erforderlich ist,'so daß auch bei Verwendung rostfreien Stahls keine Anlaßbehandlung zur Beseitigung der Kaltverfestigung nütwendig ist. Hinzu kommt, daß daher für das Hüllrohr dünnere Wandstärken Verwendung finden können und somit gegeni;ber konventionellen Brennstäben bei gleichwertigem Strukturcharakter eine Materlalersparnis und eine Verringerung der Neutronenabsorption durch (las S.Irukturmaterial erzielt wird. Abschlie-end sei daraufhingewiesen, daß selbstverständlich die Erfindung nicht auf' runde Brennstäbe beschränkt ist, auch kann die Form der Zwischenwände 16 sinngemäß oen jeweiligen Verhältnissen angepaßt und entsprechend abgewandelt werden. Es sei weiterhin hervorgehoben, daß sich die eingangs geschilderten Vorteile der Erfindung um so deutlicher zeigen, je länger derartige BrQnnstäbe ausgeführt werden.In this context it should be pointed out that opposite known manufacturing processes for fuel rods, in which the cladding tube is replaced by subsequent (igliches Pulling is deformed, in this case 'no stretching of the cladding tube after it Filling is required, so that even if stainless steel is used, no tempering treatment is necessary to eliminate work hardening. In addition, therefore, for the Cladding tube can be used with thinner wall thicknesses and thus compared to conventional ones Fuel rods with equivalent structural character a material saving and a Reduction of neutron absorption by (read S. Structural material is achieved. Finally it should be pointed out that of course the invention does not apply to ' Round fuel rods is limited, and the shape of the partition walls 16 can be analogous o be adapted to the respective circumstances and modified accordingly. Be it further emphasized that the advantages of the invention described above show all the more clearly the longer such iron rods are made.

Claims

Claims 1. Fuel rod for nuclear reactors, consisting of a column of nuclear fuel pellets surrounded by a cladding tube and subdivided into individual steps by transverse walls, characterized in that the transverse walls simultaneously serving for heat dissipation have an annular groove on their 'cylindrical outer edge and in their center with a continuous one Provided a hole and are mechanically inseparable and with good thermal conductivity connected to the cladding tube by pressing the cladding 'tube into the annular groove and subsequent soldering. z. Fuel rod according to Claim 1, characterized in that a bead running in an annular shape around the volute tube and engaging in the annular groove of the transverse wall is provided in order to mechanically secure the transverse walls in the filler tube. 3. Fuel rod according to claim 1, characterized in that the mechanical transverse walls are only provided in the cladding tube embossed ;; fuck that engage in the ring at the transverse walls c.