DE1464645C

DE1464645C - Nuclear reactor fuel element

Info

Publication number: DE1464645C
Authority: DE
Inventors: Rolf Woltje Dipl.-Ing. 2057 Geesthacht Miss
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt
Publication date: 1972-04-27

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kernreaktor- Stofftemperaturkoeffizienten in der Praxis nicht er-The present invention relates to a nuclear reactor material temperature coefficient not in practice

Brennstoffelement mit großem negativem Brennstoff- reicht.Fuel element with large negative fuel range.

temperaturkoeffizienten der Reaktivität, das in einer Ein weiterer Nachteil der bekannten Brennelemente Umhüllung einen festen Brennstoff und einen festen ist die relativ gute Wärmeleitfähigkeit der in ihnen moderierenden Stoff von hoher Wasserstoffkonzen- 5 verwendeten Metallhydride, die zur Folge hat, daß tration enthält. die Temperatur im Zentrum der Brennelemente auch In der Reaktortechnik ist eine Reihe von Brenn- bei hoher spezifischer Wärmeleistung nur wenig über elementen bekannt, die durch einen Spalt zwischen der Temperatur des flüssigen Kühlmittels liegt. Da der äußeren Zone und der Brennstoffzone gekenn- Kühlmittel und Brennstoff sich gleichzeitig um etwa zeichnet sind. Diese bekannten Ausführungen sollen io gleiche Beträge erwärmen, können leistungsbedingte verhindern, daß die äußere Umhüllung durch ein Schwankungen der Temperatur des Kühlmittels nicht Verziehen des Brennstoffstabes beschädigt wird. Eine im Brennstoff aufgefangen werden. Der Brennstoff-Verbesserung des Brennstofftemperaturkoeffizienten leistungskoeffizient ist daher ziemlich klein,
wird durch die bekannten Brennelemente nicht erzielt, Es ist zwar theoretisch möglich, das Temperaturda die durch den Spalt geschützten Stäbe reines Uran 15 gefälle zwischen Kühlmittel und Brennstoff durch oder eine Uranverbindung von geringer Bremskraft Überdimensionierung der Brennelemente zu ver-(C-Ss) enthalten (deutsche Patentschrift 1 004 744, größern. Eine derartige Maßnahme würde jedoch die britische Patentschrift 835 132). Berührungsfläche zwischen Kühlmittel und Brennstoff Bei den einleitend genannten Brennstoffelementen und damit die im Reaktorkern abführbare Gesamtbesteht die Brennstoffmoderatorzone vorzugsweise aus 20 wärmemenge verringern.temperature coefficient of reactivity, which in a further disadvantage of the known fuel element cladding a solid fuel and a solid is the relatively good thermal conductivity of the metal hydrides used in them moderating substance of high hydrogen concentration 5, which has the consequence that it contains tration. The temperature in the center of the fuel elements also In reactor technology, a number of fuel elements with a high specific heat output are only little known about elements that lie between the temperature of the liquid coolant due to a gap. Since the outer zone and the fuel zone are marked coolant and fuel are marked at the same time by approximately. These known designs are intended to heat the same amounts and can, for performance-related reasons, prevent the outer casing from being damaged by fluctuations in the temperature of the coolant and from warping of the fuel rod. One to be caught in the fuel. The fuel improvement of the fuel temperature coefficient coefficient of performance is therefore quite small,
is not achieved by the known fuel elements, it is theoretically possible to reduce the temperature because the rods protected by the gap contain pure uranium 15 gradient between coolant and fuel by or a uranium compound with low braking force oversizing of the fuel elements (C-Ss) ( German patent specification 1 004 744, larger. Such a measure would, however, the British patent specification 835 132). Contact surface between coolant and fuel In the case of the initially mentioned fuel elements and thus the total that can be discharged in the reactor core, the fuel moderator zone preferably consists of reducing the amount of heat.

Uranhydrid oder einer Mischung von Uran- und Zir- Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein konhydrid. Als Kühlmittel dient leichtes Wasser wasserstoffhaltiges Brennelement, das auch bei Aus-(britische Patentschrift 852 877). führung mit kleinem Durchmesser eine Temperatur-Vorteilhaft ist bei dieser bekannten Ausführung verteilung aufweist, die eine optimale Ausnutzung der relativ große negative Brennstofftemperaturkoeffi- 25 des 1/v-Effektes ermöglicht.Uranium hydride or a mixture of uranium and zir- The object of the present invention is therefore a conhydride. Light water, a hydrogen-containing fuel element, is used as the coolant, which is also used in foreign (British Patent specification 852 877). Guide with a small diameter a temperature-advantageous is in this known version has distribution that optimal utilization the relatively large negative fuel temperature coefficient of the 1 / v effect.

zient der Reaktivität, der sich aus der hohen Brems- Diese Aufgabe wird bei Brennstoffelementen dercient of the reactivity, which results from the high braking This task is carried out with fuel elements

kraft (££s) des festen Brennstoffmoderatorgemisches einleitend genannten Art erfindungsgemäß dadurchby virtue of (££ s) of the solid fuel moderator mixture mentioned in the introduction according to the invention

ergibt. Die von außen aus dem flüssigen Moderator gelöst, daß der Brennstoff- und Moderatorbereichresults. The externally released from the liquid moderator, that the fuel and moderator area

in das Brennelement eingestreuten thermischen Neu- durch eine wärmedämmende Schicht von der Um-New thermal interspersed in the fuel element through a heat-insulating layer from the

tronen werden durch Kollisionen mit den Wasserstoff- 30 hüllung getrennt ist. Der Wärmestau in der IsolierungTrons are separated by collisions with the hydrogen envelope. The heat build-up in the insulation

atomen des festen Brennstoffes auf eine Temperatur bewirkt einen relativen Temperaturausgleich zwischenatoms of the solid fuel at one temperature causes a relative temperature equalization between

aufgeheizt, die zwischen den Temperaturen der beiden den inneren und äußeren Schichten des Brennelementesheated between the temperatures of both the inner and outer layers of the fuel assembly

Bereiche liegt. Während in einem normalen Uran- mit dem Ergebnis, daß die einfallenden thermischenAreas lies. While in a normal uranium with the result that the incident thermal

karbid- oder Uranoxyd-Brennelement der negative Neutronen auf eine Temperatur erhitzt werden, diecarbide or uranium oxide fuel element in which the negative neutrons are heated to a temperature that

Brennstofftemperaturkoeffizient im wesentlichen auf 35 in der Nähe der mittleren Brennstofftemperatur liegt.Fuel temperature coefficient is essentially 35 close to the mean fuel temperature.

dem bekannten Dopplereffekt beruht, wird in dem Der negative Brennstofftemperaturkoeffizient erreichtbased on the well-known Doppler effect, the negative fuel temperature coefficient is achieved in the

wasserstoff haltigen Brennelement außerdem der l/v- daher den optimalen Wert.hydrogen-containing fuel element also the l / v- therefore the optimal value.

Effekt teilweise ausgenutzt. Der Absorptionsquer- Weitere Einzelheiten und Merkmale der ErfindungEffect partially exploited. The absorption cross- Further details and features of the invention

schnitt des Brennstoffes ist umgekehrt proportional ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichenThe fuel cut is inversely proportional as shown in the detailed below

zur Geschwindigkeit bzw. umgekehrt proportional 40 Beschreibung und den Zeichnungen, in denen zweito the speed or inversely proportional 40 Description and the drawings in which two

zur Wurzel der Temperatur der aufgeheizten Neu- bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bei-to the root of the temperature of the heated new- preferred embodiments of the invention at-

tronen. Der Absorptionsquerschnitt des Spalt- spielsweise veranschaulicht sind. In den Zeichnungentrone. The absorption cross-section of the gap are illustrated for example. In the drawings

Stoffes sinkt also mit steigender Brennstofftem- zeigt:The substance decreases with increasing fuel temperature - shows:

peratur. F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Brennelement Diese bekannte Anordnung hat aber den Nachteil, 45 mit getrennten Brennstoff- oder Moderatorschichten, daß die Randzone des Brennelementes infolge des F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Brennelement guten Wärmeüberganges zwischen Brennstoff und mit homogener Verteilung von Brennstoff und Mo-Kühlflüssigkeit eine Temperatur annimmt, die nur derator,temperature. F i g. 1 shows a cross section through a fuel assembly However, this known arrangement has the disadvantage that 45 with separate fuel or moderator layers, that the edge zone of the fuel assembly as a result of the F i g. 2 shows a cross section through a fuel assembly good heat transfer between fuel and with homogeneous distribution of fuel and Mo cooling liquid assumes a temperature that only derator,

wenig über der Temperatur des flüssigen Moderators Fig. 3 den Verlauf der Stofftemperatur und derlittle above the temperature of the liquid moderator Fig. 3 shows the course of the substance temperature and the

liegt. Der Aufheizeffekt kann sich in der Randzone 50 thermischen Neutronentemperatur in einem Brenn-located. The heating effect can occur in the edge zone 50 thermal neutron temperature in a combustion

also nicht voll auswirken. Viele der von außen ein- element nach F i g. 1.so do not fully affect. Many of the externally one element shown in FIG. 1.

fallenden Neutronen werden von den nur schwach Das in Fig.-L dargestellte Brennelement enthält erwärmten Wasserstoffatomen der Randzone gestreut eine zentrale Brennstoffzone 1, eine Moderator- und an Ort und Stelle oder im Zentrum des Brenn- schicht 2 und eine Wärmeisolierung 4 in einer äußeren elementes vom Spaltstoff absorbiert. Da nicht alle in 55 Umhüllung 5. Die Brennstoffzone 1 besteht aus einer der Randzone gestreuten Neutronen im Inneren des Dispersion von Urarioxyd in einer hitzebeständigen, Brennelementes ein zweites Mal gestreut werden, wärmeleitenden Metallegierung. Die Moderatorentspricht der Gesamtaufheizeffekt nicht der mittleren schicht 2 besteht zweckmäßigerweise aus einem Me-Stofftemperatur des Brennstoffes, sondern einem Wert, tallhydrid mit hoher Wasserstoff konzentration, z.B. der nur wenig über der Temperatur des flüssigen 60 Zirkonhydrid. Für dje Isolationsschicht 4 kommen Moderators liegt. Dies gilt insbesondere für Brenn- verschiedene keramische Werkstoffe in Frage. Die elemente mit kleinem Durchmesser, (r<2/CZj), in Isolationsschicht kann jedoch auch durch einen Spalt denen eine mehrfache Streuung eines großen Anteils ersetzt werden. Für die äußere Umhüllung 5 eignen der einfallenden Neutronen unwahrscheinlich ist. Da sich die im Reaktorbäu bewährten Nickel-Chromin der bekannten Anordnung keine geeigneten bau- 65 Legierungen und rostfreier Stahl,
liehen Maßnahmen zur Beeinflussung des Temperatur- Die Wärmeisolierung 4 ist unbedingt notwendig, gefälles im Brennelement vorgesehen sind, werden die weil Metallhydride eine'/.relativ, hohe Wärmeleittheoretisch möglichen Werte des negativen Brenn- fähigkeit besitzen. Wenn keineIsolierung vorhandenfalling neutrons are only weakly scattered by the fuel element shown in Fig.-L contains heated hydrogen atoms of the edge zone a central fuel zone 1, a moderator and in place or in the center of the fuel layer 2 and a thermal insulation 4 in an outer element absorbed by the fissile material. Since not all of them are in envelope 5. The fuel zone 1 consists of one of the marginal zone scattered neutrons inside the dispersion of uranium dioxide in a heat-resistant, fuel element that is scattered a second time, thermally conductive metal alloy. The moderator corresponds to the overall heating effect not of the middle layer 2 expediently consists of a metal temperature of the fuel, but a value, tall hydride with a high hydrogen concentration, for example only slightly above the temperature of the liquid zirconium hydride. For each insulation layer 4, moderators come. This applies in particular to various ceramic materials in question. The elements with a small diameter, (r <2 / CZj), in the insulation layer can, however, also be replaced by a gap where a multiple scattering of a large proportion can be replaced. The incident neutrons are unlikely to be suitable for the outer envelope 5. Since the nickel-chromium of the known arrangement, which has proven itself in reactor construction, is not suitable for constructional alloys and stainless steel,
The thermal insulation 4 is absolutely necessary, inclines are provided in the fuel element, because metal hydrides have a relatively high thermal conductivity theoretically possible values of negative combustibility. If there is no insulation

wäre, würde die Moderatorschicht 2 die Temperatur der Umhüllung 5 bzw. des äußeren flüssigen Kühlmittels annehmen. Die Moderatorschicht würde ihren Zweck verfehlen. Durch die Wärmeisolierung 4 wird das relative Temperaturgefälle zwischen Moderator 2 und Brennstoff 1 vermindert. Bei geeigneter Bemessung der Isolationsschicht liegt die Temperatur des eingeschlossenen Moderators 2 in der Nähe der Brennstofftemperatur. the moderator layer 2 would be the temperature of the casing 5 or the external liquid coolant accept. The moderator shift would fail to serve its purpose. The thermal insulation 4 is the relative temperature gradient between moderator 2 and fuel 1 is reduced. With suitable dimensioning the insulation layer, the temperature of the enclosed moderator 2 is close to the fuel temperature.

Der Temperaturanstieg des Moderators ist dem Temperaturanstieg des Brennstoffes proportional.The rise in temperature of the moderator is proportional to the rise in temperature of the fuel.

F i g. 3 veranschaulicht den Temperaturverlauf in einem Brennelement nach F i g. 1. Die verschiedenen Zonen des Brennelements werden durch Trennlinien und unterhalb der Abszisse durch eine Schraffur und die zugehörigen Bezugsziffern angedeutet. Der Verlauf der thermischen Neutronentemperatur entspricht der gestrichelten Kurve 6, der Verlauf der Stofftemperatur der voll ausgezogenen Kurve 7.F i g. 3 illustrates the temperature profile in a fuel assembly according to FIG. 1. The various Zones of the fuel assembly are indicated by dividing lines and below the abscissa by hatching and the associated reference numbers indicated. The course of the thermal neutron temperature corresponds to dashed curve 6, the course of the substance temperature of the solid curve 7.

Das in F i g. 2 dargestellte Brennelement enthält eine homogene Brennstoff-Moderator-Zone 3 und eine Wärmeisolierung 4 in einer äußeren Umhüllung 5. Die Brennstoff-Moderator-Zone 3 kann aus einer Mischung von keramischem Brennstoff, z. B. UO₂ und Yttriumhydrid, bestehen. Sie kann jedoch auch chemisch gebundenes Uranhydrid UH₃ enthalten.The in Fig. The fuel element shown in FIG. 2 contains a homogeneous fuel moderator zone 3 and a thermal insulation 4 in an outer casing 5. The fuel moderator zone 3 can consist of a mixture of ceramic fuel, e.g. B. UO ₂ and yttrium hydride exist. However, it can also contain chemically bound uranium hydride UH ₃ .

Durch die Wärmeisolierung 4 entsteht ein großes Temperaturgefälle zwischen der zentralen Moderator-Brennstoff-Zone 3 und dem Kühlmittel. Einer kleinen Schwankung der thermischen Leistung entspricht eine große Änderung der Neutronentemperatur. Die Wärmeisolierung 4 verursacht also einen besonders großen Reaktorleistungskoeffizienten.The thermal insulation 4 creates a large temperature gradient between the central moderator-fuel zone 3 and the coolant. Corresponds to a small fluctuation in thermal output a large change in neutron temperature. The thermal insulation 4 thus causes one to be special large reactor performance coefficient.

Abschließend soll betont werden, daß die in F i g. 1 und 2 wiedergegebene zylindrische Gestalt der Brennelemente nicht unbedingt eingehalten werden muß. Selbstverständlich sind auch plattenförmige oder rohrförmige Brennelemente möglich, die in der gleichen Weise wie die zylindrischen Brennelemente aufgebaut sind.Finally, it should be emphasized that the in F i g. 1 and 2 reproduced cylindrical shape of the fuel assemblies does not necessarily have to be adhered to. Of course, they are also plate-shaped or tubular Fuel assemblies can be constructed in the same way as the cylindrical fuel assemblies are.

Claims

Patent claims:

1. Nuclear reactor fuel element with a large negative fuel temperature coefficient of Reactivity, which is a solid fuel and a solid moderating substance in an envelope of high hydrogen concentration, characterized by the fact that the fuel and moderator area (1, 2; 3) through a heat-insulating layer (4) from the envelope (5) is separated.

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the heat insulating layer (4) there is a gap.

3. Fuel element according to claim 1 or 2, characterized in that the moderating A substance with a high concentration of hydrogen is a metal hydride.

4. Fuel element according to one of the preceding claims, characterized in that that there is moderator and fuel as a mixture or chemical compound in a homogeneous Contains inner zone (3).

1 sheet of drawings