DE1589803B2

DE1589803B2 - Fuel element for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1589803B2
Application number: DE1589803A
Authority: DE
Inventors: James Lloyd San Jose Calif. Lass (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-26
Filing date: 1967-01-17
Publication date: 1975-10-16
Also published as: GB1173928A; DE1589803A1; ES336064A1; FR1516040A

Description

3030th

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für Kernreaktoren mit einer langgestreckten Hülse, die Kernbrennstoff mindestens in einem Teil der Hülse enthält und am oberen und am unteren Ende durch Pfropfen verschlossen ist und die zwischen dem Kernbrennstoff und dem Pfropfen am unteren Ende zur Erhöhung des Wärmeübergangswiderstandes einen scheibenförmigen metallischen Körper enthält.The invention relates to a fuel element for nuclear reactors with an elongated sleeve that Contains nuclear fuel at least in part of the sleeve and through at the top and bottom Plug is closed and the between the nuclear fuel and the plug at the lower end to Increase in the heat transfer resistance contains a disc-shaped metallic body.

Um die Lebensdauer der Brennstoffelemente in einem Reaktor zu erhöhen, ist es günstig, die mechanischen Spannungen, die in solchen Brennstoffelementen auftreten können, auf ein Minimum herabzusetzen. Mechanische Spannungen treten häufig an solchen Stellen auf, an denen sich nebeneinanderliegende Bauteile der Brennstoffelemente ungleichförmig ausdehnen. In manchen Fällen kann man dieser ungleichförmigen Ausdehnung dadurch begegnen, daß man zwischen den verschiedenen Bauteilen ein gewisses Spiel vorsieht. Das ist beispielsweise zwischen der Hülse der Brennstoffelemente und dem Brennstoffpillen möglich, da man die Pillen mit einem solchen Spiel in die Hülse einsetzen kann, daß sich die Pillen ungehindert ausdehnen können.In order to increase the service life of the fuel elements in a reactor, it is advantageous to use the mechanical stresses that can occur in such fuel elements to reduce to a minimum. Mechanical stresses often occur in those places where adjacent ones Expand the components of the fuel elements unevenly. In some cases you can do this Counteract non-uniform expansion by having a certain amount of space between the various components Game provides. This is, for example, between the sleeve of the fuel elements and the fuel pill possible because the pills can be inserted into the sleeve with such a play that the pills move freely can expand.

Diese Lösung kann jedoch nicht in solchen Bereichen der Brennstoffelemente angewendet werden, in denen ein Spiel zum Ausgleich der thermischen Ausdehnung nicht möglich ist. Solche Bereiche finden sich beispielsweise an Stellen, an denen bestimmte Teile der Brennstoffelemente miteinander verschweißt werden müssen. Das ist bei den hier interessierenden Brennstoffelementen an der Schweißnaht zwischen dem unteren Verschluß-Pfropfen und der Brennstoffhülse sowie an den Schweißnähten zwischen den einzelnen Segmenten des Brennstoffelementes, wenn dieses aus solchen einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist, der Fall. Während des Reaktorbetriebes hat sich herausgestellt, daß sich die Brennstoffpillen, die Hülse und der Endpfropfen unterschiedlich aufheizen, so daß die mittlere Körpertemperatur des Endpfropfens erheblich über der mittleren Körpertemperatur der Hülse liegt. Die thermische Radialausdehnung des Endpfropfens ist daher größer als die Radialausdehnung der Hülse, so daß sich in der Schweißnaht zwischen Endpfropfen und Hülse erhebliche mechanische Spannungen auftreten. Diese mechanischen Spannungen führen zu Rissen oder Poren in der Schweißnaht, so daß Spaltprodukte aus dem Brennstoffelement in das Kühlwasser gelangen können und das Kühlwasser in das Brennstoffelement gelangen kann. Beim Auftreten solcher Risse und Poren müssen nicht nur die fehlerhaften Brennstoffelemente ausgetauscht werden, sondern vielmehr kann das Kühlmittel radioaktive Stoffe aus den Brennstoffelementen mit sich führen und dadurch die verschiedensten Teile des Reaktors und des Kühlmittelkreislaufes vergiften. Diese unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen sind dort am größten, wo das Kühlmittel in das Brennstoffbündel eintritt, da dieses Gebiet der Brennstoffelemente auf der niedrigsten Temperatur gehalten wird. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen treten bei einem segmentierten Brennelement auch dort auf, wo die einzelnen Segmente des Brennstoffelementes miteinander verbunden sind. Um diese mechanischen Spannungen möglichst klein zu halten, sind schon die verschiedensten Formen für die Endpfropfen, die verschiedensten Materialien und Hülsen der verschiedensten Dicken untersucht worden.However, this solution cannot be used in those areas of the fuel elements in which play to compensate for thermal expansion is not possible. Such areas can be found, for example at points where certain parts of the fuel elements are welded together have to. In the case of the fuel elements of interest here, this is at the weld seam between the lower plug and the fuel sleeve as well as on the welds between the individual Segments of the fuel element, if this is composed of such individual segments, the Case. During the operation of the reactor it has been found that the fuel pills, the sleeve and the Heat the end plug differently, so that the mean body temperature of the end plug is considerable is above the mean body temperature of the sleeve. The radial thermal expansion of the end plug is therefore greater than the radial extension of the sleeve, so that in the weld between the end plug and Considerable mechanical stresses occur in the sleeve. These mechanical stresses lead to cracks or Pores in the weld seam so that fission products from the fuel element get into the cooling water and the cooling water can get into the fuel element. When such cracks and pores occur Not only do the faulty fuel elements have to be replaced, but rather it can Coolants carry radioactive substances from the fuel elements with them and thus a wide variety of Poison parts of the reactor and the coolant circuit. These different thermal expansions are greatest where the coolant enters the fuel bundle, as this is the area of the fuel elements is kept at the lowest temperature. The different thermal expansions occur in a segmented fuel assembly where the individual segments of the fuel assembly are connected to each other. In order to keep these mechanical stresses as small as possible, are the most varied of shapes for the end plug, the most varied of materials and sleeves of the most varied Thicken has been investigated.

So ist in dem deutschen Gebrauchsmuster 18 78 465 ein Brennstoffelement für Kernreaktoren mit einer langgestreckten Hülse beschrieben, die Kernbrennstoff mindestens in einem Teil der Hülse enthält und zumindest an einem Ende durch einen Stopfen verschlossen ist. Um die Temperatur des Endstopfens zu verringern und sein Erweichen zu verhindern wird bei diesem bekannten Brennstoffelement zwischen dem Kernbrennstoff und dem Stopfen zumindest ein Körper in Scheibenform eingefügt, der aus einem Material besteht, welches in Achsenrichtung des Elementes eine kleinere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als in radialer Richtung. Auf diese Weise wird der Übergang der Wärme aus dem Kernbrennstoff in den Stopfen weitgehend gehindert, der Übergang dieser Wärme an die Hülle jedoch weitgehend unbeeinträchtigt bleibt. Als Materialien für diesen scheibenförmigen Körper sind anisotropes keramisches Material, Magnesiumzirkon-Legierung und Pyrographit genannt. Der scheibenförmige Körper kann aber auch schichtförmig aufgebaut sein und in dieser Ausführungsform besteht er vorzugsweise aus einem Metall und seinem Oxyd. Diese bekannten scheibenförmigen Körper sind zum einen wegen des Erfordernisses der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit in Achsenrichtung im Vergleich zur Radialrichtung relativ teuer und wie sich bei Verwendung der Schichtstoffe ergibt, auch relativ kompliziert herstellbar. Außerdem handelt es sich bei den bekannten Körpern um Kreisscheiben. Solche Kreisscheiben sind jedoch vom Fertigungsstandpunkt aus nachteilig, da sie sich beim Einsetzen in die Brennstoffhülse am Boden des Brennstoffelementes häufig verkanten.So is in the German utility model 18 78 465 a fuel element for nuclear reactors with a described elongated sleeve which contains nuclear fuel in at least a part of the sleeve and is closed at least at one end by a plug. To increase the temperature of the end plug reduce and prevent its softening is in this known fuel element between the Nuclear fuel and the plug inserted at least one body in the form of a disk, which is made of a material consists, which has a lower thermal conductivity in the axial direction of the element than in the radial Direction. In this way the transfer of heat from the nuclear fuel into the plug largely prevented, but the transfer of this heat to the shell remains largely unaffected. as Materials for this disk-shaped body are anisotropic ceramic material, magnesium zirconium alloy and called pyrographite. The disk-shaped body can, however, also have a layered structure and in this embodiment it preferably consists of a metal and its oxide. These known disc-shaped bodies are on the one hand because of the requirement of different thermal conductivity in the axial direction compared to the radial direction relatively expensive and how to use the laminates results, also relatively complicated to manufacture. In addition, the known bodies around circular disks. However, such circular disks are from a manufacturing standpoint disadvantageous because they are often located at the bottom of the fuel element when it is inserted into the fuel sleeve tilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen scheibenförmigen Körper anzugeben, der auch ohne das Erfordernis der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit in Achsenrichtung im Vergleich zur Radialrichtung geeignet ist, eine Erhöhung des Wärmeübergangswiderstan-The invention is based on the object of specifying a disc-shaped body that can also be used without the Requirement of the different thermal conductivity in the axial direction compared to the radial direction suitable is an increase in the heat transfer resistance

des zwischen Kernbrennstoff und Pfropfen zu bewirken, der außerdem vom Fertigungsstandpunkt aus günstiger ist als die bekannten Kreisscheiben. Erfindungsgemäß besteht bei dem Brennelement der eingangs genannten Art dieser scheibenförmige Körper aus mindestens einem dünnen, nicht mit anderen Teilen fest verbundenen ebenen Metallplättchen in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit abgerundeten Ecken.between nuclear fuel and plug, which is also cheaper from a manufacturing point of view is known as the circular disks. According to the invention, the fuel assembly mentioned at the beginning exists This type of disc-shaped body consists of at least one thin, not firmly connected to other parts flat metal plates in the form of an equilateral triangle with rounded corners.

Obwohl der Temperaturabfall in dem dünnen Metallplättchen selbst nur sehr klein ist, da das Metall eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann doch ein hoher Temperaturabfall durch seine Verwendung erzielt werden, der hauptsächlich der Zwischenschicht oder den Spalten zuzuschreiben ist, die zwischen der Brennstoffhülse und dem Metallplättchen sowie zwisehen dem Endpfropfen und dem Metallplättchen vorhanden sind. Werden zwei oder mehrere Metallplättchen verwendet, dann bilden sich zwischen nebeneinanderliegenden Metallplättchen thermische Zwischengebiete aus. Diese Erscheinungen beruhen auf der Voraussetzung, daß diese thermischen Zwischengebiete bei der Herstellung des Brennstoffelementes mit Helium gefüllt sind und daß sie sich während des Reaktorbetriebes weiterhin mit Helium und gasförmigen Spaltprodukten füllen, die vom Brennstoff abgegeben werden. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Gase ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit der Metallplättchen, der Hülse und des Endpfropfens so niedrig, daß diese Zwischengebiete eine sehr gute wärmeisolierende Wirkung haben. Die erfindungsgemäße Form eines gleichseitigen Dreiecks mit abgerundeten Ecken gestattet es, das Spiel zwischen dem Metallplättchen und dem Innendurchmesser des Brennstoffelementes klein zu halten. Das es sich in dem erfindungsgemäßen Metallplättchen um ein dünnes Plättchen handelt, hat den Vorteil, daß man mehrere Plättchen übereinander legen kann, so daß sich auf Grund der thermischen Grenzschichten eine größere Anzahl von gasgefüllten den Wärmeübergang hemmenden Spalten bilden.Although the temperature drop in the thin metal plate itself is very small because the metal has good thermal conductivity, but can result in a high temperature drop due to its use can be achieved, which is mainly attributable to the interlayer or gaps between the Fuel sleeve and the metal plate and between the end plug and the metal plate available. If two or more metal plates are used, then between adjacent metal platelets from thermal intermediate areas. These appearances are based on the prerequisite that these thermal intermediate areas in the manufacture of the fuel element with Are filled with helium and that they continue to be filled with helium and gaseous during the reactor operation Fill the fission products given off by the fuel. The thermal conductivity of these gases is compared to the thermal conductivity of the metal plate, the sleeve and the end plug so low that this Intermediate areas have a very good heat-insulating effect. The inventive form of a equilateral triangle with rounded corners allows the game between the metal plate and the To keep the inner diameter of the fuel element small. That it is in the invention Metal plate is a thin plate, has the advantage that you have several plates on top of each other can lay, so that due to the thermal boundary layers a larger number of gas-filled Form gaps inhibiting heat transfer.

Die Form der ein gleichseitiges Dreieck bildenden Metallplättchen ist so gewählt, daß sie beim Einsetzen in die Brennstoffhülse während des Füllens des Brennstoffelementes die Hülse hinabgleiten und flach am Endpfropfen aufliegen können, dadurch ist sichergestellt, daß der Brennstoff in jedem Brennstoffelement bis zur gleichen Höhe eingefüllt wird, da die unterste Brennstoffpille vom Endpfropfen einen nicht zu großen Abstand hat, womit man zu rechnen hat, wenn ein scheibenförmiger Körper verwendet wird, der auf dem Endpfropfen entweder senkrecht oder verkantet aufliegt. Dadurch wird außerdem ein Bruch der Brennstoffpille vermieden, der zu befürchten ist, wenn die unterste Brennstoffpille während des Einfüllens in die Hülse auf einen verkanteten scheibenförmigen Körper auftrifft.The shape of the metal plate forming an equilateral triangle is chosen so that when inserted into Slide the fuel sleeve down the sleeve while filling the fuel element and lay flat on it End plug can rest, this ensures that the fuel in each fuel element is filled up to the same height, since the bottom fuel pill from the end plug is not too big Distance, which is to be expected if a disk-shaped body is used on the End plug is either upright or tilted. This will also break the fuel pill Avoided the concern if the bottommost fuel pill rises while being filled into the pod hits a canted disc-shaped body.

Weiter ist aus der FR-PS 12 55 816 ein Brennstoffelement bekannt, bei dem zwischen einem Endpfropfen und dem Brennstoff ein metallischer Isolierkörper angeordnet ist, der aus zwei Kreisscheiben besteht, die durch einen dazwischenliegenden stabförmigen Teil geringeren Durchmessers zusammengehalten sind. Dieses Teilchen ist ein recht kompliziertes und damit teures und zudem relativ viel Platz beanspruchendes Isolierstück.Furthermore, from FR-PS 12 55 816 a fuel element is known in which between an end plug and the fuel, a metallic insulating body is arranged, which consists of two circular disks, the are held together by an intermediate rod-shaped part of smaller diameter. This particle is a very complicated and therefore expensive one that also takes up a lot of space Insulating piece.

Im nachfolgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In detail shows

Fig. 1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht eines Brennstoffbündels, in dem Brennstoffelemente nach der Erfindung enthalten sind;Fig. 1 is a partially sectioned, perspective view of a fuel bundle in which fuel elements are included according to the invention;

F i g. 2 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines aus Segmenten aufgebauten Brennelementes, in dem die Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung eingesetzt sind;F i g. FIG. 2 is a side elevational view, partially in section, of a segmented fuel bundle in FIG which the heat insulating pieces are used according to the invention;

F i g. 3 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch das untere Ende eines Brennelementes ohne die Wärmeisolierstücken nach der Erfindung;F i g. 3 is an enlarged longitudinal section through the lower end of a fuel bundle without the thermal insulation pieces according to the invention;

F i g. 4 zeigt schematisch das Temperaturgefälle zwischen der untersten Brennstoffpille, dem Endpfropfen und der zugehörigen Hülse des Brennelementes auf Fig.3;F i g. 4 shows schematically the temperature gradient between the lowest fuel pill, the end plug and the associated sleeve of the fuel assembly in Figure 3;

F i g. 5 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch das untt.e Ende des Brennelementes aus Fig.2, das Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung enthält;F i g. 5 is an enlarged longitudinal section through the lower end of the fuel assembly of FIG Contains thermal insulators according to the invention;

F i g. 6 ist ein Diagramm und stellt den Temperaturabfall zwischen der untersten Brennstoffpille, dem unteren Endpfropfen und der zugehörigen Hülse sowie dem Wärmeisolierstückchen nach F i g. 5 dar;F i g. 6 is a graph depicting the temperature drop between the bottom fuel pill, the lower end plug and the associated sleeve and the heat insulating piece according to FIG. 5 represents;

F i g. 7 ist ein vergrößerter Schnitt längs der Linie 7-7 aus Fig.5;F i g. Figure 7 is an enlarged section taken along line 7-7 of Figure 5;

F i g. 8 zeigt ein Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung von oben;F i g. Fig. 8 shows a heat insulating piece according to the invention from above;

F i g. 9 ist eine Seitenansicht des Wärmeisolierstückchens nach Fig.8;F i g. Fig. 9 is a side view of the thermal insulator of Fig. 8;

F i g. 1OA bis IOD zeigen, in welcher Reihenfolge die Wärmeisolierstückchen während des Zusammensetzens des Brennelementes eingeführt werden.F i g. 1OA to IOD show the order in which the Thermal insulation pieces are introduced during the assembly of the fuel assembly.

In Fig. 1 ist ein Brennstoffbündel dargestellt, das Brennelemente nach der Erfindung aufweist. Das Brennstoffbündel 10 besteht im wesentlichen aus einem offenen quadratischen Mantel 12, Brennelementen 14, der unteren und der oberen Halterungsplatte 16 und 18 sowie aus Abstandsstücken 20 für die Brennelemente. Der Mantel 12 hat einen quadratischen Querschnitt. In den oberen Ecken des Mantels sind Eckstücke 22 eingesetzt, die den Mantel tragen, nachdem der Mantel über die Brennelemente herübergeschoben worden ist. Brennelemente 14 gehen in einem vorgegebenen Abstand voneinander durch eine Anzahl von Abstandsstücke 20 hindurch und sind auch dort befestigt. Die Abstandsstücke 20 stützen sich gegen die innere Oberfläche des Mantels 12 ab. Sie sind voneinander längs des Bündels in einem bestimmten Abstand angeordnet, der etwa 35 bis 40 cm betragen kann. Weiterhin sind sie mit einem oder mehreren der Brennelemente fest verbunden, so daß sie in Längsrichtung nicht verschoben werden können. Diese Verbindungen können auf verschiedene Weisen erreicht werden, beispielsweise durch das Anbringen von Verriegelungen in den gleichen vorgegebenen Abständen. Ein Beispiel für eine solche Anordnung wird in Verbindung mit der Fig.2 beschrieben, die ein aus Segmenten aufgebautes Brennelement darstellt.In Fig. 1, a fuel bundle is shown which Has fuel assemblies according to the invention. The fuel bundle 10 consists essentially of one open square jacket 12, fuel assemblies 14, the lower and upper support plates 16 and 18 as well as spacers 20 for the fuel assemblies. The jacket 12 has a square cross section. In the upper corners of the jacket are corner pieces 22 which support the jacket after the jacket has been pushed over the fuel assemblies. Fuel assemblies 14 go in a predetermined Distance from one another through a number of spacers 20 and are also fixed there. the Spacers 20 are supported against the inner surface of the jacket 12. They are from each other arranged along the bundle at a certain distance, which can be about 35 to 40 cm. Furthermore, they are firmly connected to one or more of the fuel assemblies, so that they are in the longitudinal direction cannot be moved. These connections can be achieved in several ways for example by attaching locks at the same predetermined intervals. An example of such an arrangement is described in connection with FIG Represents fuel assembly built up into segments.

Jedes Brennelement 14 weist eine langgestreckte Hülse auf, die spaltbares Material wie beispielsweise angereichertes Urandioxid enthält. Das Spaltmaterial ist üblicherweise in der Form von Pillen hoher Dichte eingebracht, die mit ihren Stirnflächen aufeinanderliegen. Das spaltbare Material kann aber auch als Pulver oder in Form kleiner Partikelchen eingefüllt sein, die bis zu einem Schüttgewicht verdichtet sind, das der theoretischen Dichte des Materials entspricht. Jedes Hülsenende ist mit einem Pfropfen verschlossen, so daß kein Kühlmittel in die Hülse eindringen kann und so daß keine Spaltprodukte aus dem Brennelement entweichen können. Wie aus der F i g. 1 hervorgeht, sind eine große Anzahl der Brennelemente aus dem BrennstoffbündelEach fuel assembly 14 has an elongated sleeve that can contain fissile material such as Contains enriched uranium dioxide. The fissile material is usually in the form of high density pills introduced, which lie on top of one another with their end faces. The fissile material can also be used as a powder or be filled in the form of small particles that are compressed to a bulk density that the corresponds to the theoretical density of the material. Each end of the sleeve is closed with a plug so that no coolant can penetrate into the sleeve and so that no fission products escape from the fuel assembly can. As shown in FIG. 1, a large number of the fuel assemblies are from the fuel bundle

mit kontinuierlichen Hülsen versehen, also mit Hülsen, die aus einem Stück hergestellt sind. In einem besonders gebräuchlichen Brennstoffbündel ist nur ein einziges Brennelement mit einer aus Segmenten aufgebauten Hülse versehen. Ein solches Brennelement, und zwar üblicherweise ein Element, das etwa in der Mitte des Bündels angeordnet ist, ist aus Segmenten aufgebaut und weist an jeder Verbindungsstelle zwischen zwei Segmenten Verriegelungsvorrichtungen auf, die an den Abstandsstücken 20 angreifen können.provided with continuous sleeves, i.e. with sleeves, which are made from one piece. In a particularly common fuel bundle, there is only one Provided the fuel assembly with a sleeve made up of segments. Such a fuel assembly, namely usually an element which is arranged approximately in the middle of the bundle is made up of segments and has locking devices at each junction between two segments, which are attached to the Can attack spacers 20.

Die unteren Enden der Brennelemente sitzen auf der unteren Halterungsplatte 16 in Sacklöchern 24 auf, die in die Halterungsplatte eingebohrt sind. Neben den Sacklöchern 24 sind Öffnungen 26 angeordnet, die direkt mit der unteren Öffnung 28 in Verbindung stehen. Das untere Ende des quadratischen Mantels 12 paßt genau um das obere Ende der unteren Halterungsplatte herum. Das untere Ende der Halterungsplatte setzt sich in einem abgeschrägten Übergangsstück fort, das in einer offenen Nase 29 von kreisförmigem Querschnitt endet. Dieses Übergangsstück sitzt auf Halterungen innen im Reaktor auf. Wenn das Brennstoffbündel in den Reaktor eingesetzt wird, steht die untere Öffnung 28 mit einer Vorratskammer in Verbindung, in der ein Kühlmittel wie beispielsweise Wasser, vorhanden ist. Mehrere Brennelemente, beispielsweise die mit 30 bezeichneten, sind an den Ecken des Brennstoffbündels eingesetzt und mit Gewindeansätzen versehen, die durch die obere Halterungsplatte 28 hindurchgehen und an der Platte mittels Muttern 32 festgeschraubt sind. Die obere Halterungsplatte ist mit Aufnahmeöffnungen 34 für die Brennelemente versehen, in die die oberen Enden der Brennelemente hineinragen. Zwischen die obere Halterungsplatte 18 und die obere Schulter der Brennelemente 14 sind Druckfedern 36 eingesetzt, die eine vorgegebene Kraft ausüben. Diese Kraft ist durch das Drehmoment bestimmt, mit dem die Muttern 32 angezogen worden sind. Zwischen den Aufnahmeöffnungen 34, in die die oberen Enden der Brennelemente eingesetzt sind, sind Öffnungen 38 vorgesehen, die das Innere des Brennstoffbündels mit dem Dampfdom des Reaktors verbinden. Der Mantel 12 ist an der oberen Halterungsplatte mit Hilfe von Bolzen 40 angeschraubt, die durch Öffnungen in den Eckstücken 22 und in Verlängerungsstücke 41 an der oberen Halterungsplatte eingeschraubt sind, die mit Gewindebohrungen versehen sind. Schließlich ist die obere Halterungsplatte 18 noch mit einem Handgriff 42 versehen, der dazu verwendet wird, das Brennstoffbündel anzuheben und abzusenken.The lower ends of the fuel assemblies sit on the lower mounting plate 16 in blind holes 24, the are drilled into the mounting plate. In addition to the blind holes 24 openings 26 are arranged, the are directly with the lower opening 28 in communication. The lower end of the square shell 12 fits just around the top of the lower bracket plate. The lower end of the mounting plate will settle in a beveled transition piece, which continues in an open nose 29 of circular cross-section ends. This transition piece sits on brackets inside the reactor. When the fuel bundle is in The reactor is used, the lower opening 28 is in communication with a storage chamber in which a Coolant such as water is present. Several fuel assemblies, for example the one with 30 marked, are used at the corners of the fuel bundle and provided with threaded lugs that pass through the upper support plate 28 and are screwed to the plate by means of nuts 32. the upper mounting plate is provided with receiving openings 34 for the fuel elements, in which the upper The ends of the fuel assemblies protrude. Between the upper mounting plate 18 and the upper shoulder of the Fuel elements 14 are compression springs 36 used, which exert a predetermined force. This power is through determines the torque with which the nuts 32 have been tightened. Between the receiving openings 34, into which the upper ends of the fuel assemblies are inserted, openings 38 are provided, which the Connect the inside of the fuel bundle to the steam dome of the reactor. The jacket 12 is at the top The mounting plate is screwed on with the aid of bolts 40, which pass through openings in the corner pieces 22 and in Extension pieces 41 are screwed to the upper mounting plate, which are provided with threaded holes are. Finally, the upper mounting plate 18 is also provided with a handle 42, which for this purpose is used to raise and lower the fuel bundle.

Das eben beschriebene Brennstoffbündel kann in verschiedenen Reaktortypen verwendet werden. Besonders günstig ist jedoch seine Verwendung in Siedewasserreaktoren, in denen das Kühlmittel gleichzeitig als Moderator dient. Wird das Brennstoffbündel in einem Siedewasserreaktor verwendet, so strömt das Kühlmittel durch die untere Öffnung 28 und die Öffnungen 26 hindurch innerhalb des Mantels 12 nach oben. Dabei umgibt es die Brennelemente 14 und fließt in Längsrichtung die Oberflächen der Brennelemente entlang. Während das Kühlmittel nach oben strömt, führt es Wärme aus den Brennelementen ab. Dabei erhöht sich die Temperatur des Kühlmittels, so daß sich das Kühlmittel in Naßdampf umwandelt, der beispielsweise einen Dampfanteil von 10 Gewichtsprozent aufweist. Dieser Naßdampf strömt durch Öffnungen 38 in der oberen Halterungsplatte 18 hindurch und gelangt in einen Dampfdom innerhalb des Reaktors. Der Dampfdom nimmt den Naßdampf aus einer Anzahl von Brennstoffbündeln auf, die zusammen den Reaktorkern bilden. Daraufhin wird der Naßdampf aus dem Dom getrocknet und an eine Dampfturbine abgegeben. Der Abdampf der Turbine wird kondensiert und kann dann in die bereits erwähnte Vorratskammer für das Kühlmittel zurückgeführt werden.The fuel bundle just described can be used in various types of reactors. Particularly However, its use in boiling water reactors, in which the coolant is used at the same time, is favorable serves as a moderator. If the fuel bundle is used in a boiling water reactor, it flows Coolant through the lower opening 28 and the openings 26 within the shell 12 after above. It surrounds the fuel assemblies 14 and flows in the longitudinal direction over the surfaces of the fuel assemblies along. As the coolant flows upwards, it removes heat from the fuel assemblies. Included the temperature of the coolant increases, so that the coolant is converted into wet steam, for example has a steam content of 10 percent by weight. This wet steam flows through openings 38 in the upper mounting plate 18 and enters a steam dome within the reactor. Of the Steam dome absorbs the wet steam from a number of fuel bundles that together form the reactor core form. The wet steam from the dome is then dried and given off to a steam turbine. Of the Exhaust steam from the turbine is condensed and can then be stored in the previously mentioned storage chamber for the Coolant can be returned.

In der Fig.2 ist ein aus Segmenten aufgebautes Brennelement 14' dargestellt, das nach der Erfindung aufgebaut ist. Dieses Brennelement besteht aus einer Anzahl von Segmenten 43, die durch Verbindungsstücke 44 miteinander verbunden sind. Jedes Segment weist eine zylindrische Hülse 45 auf. Diese Hülsen können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Es ist besonders günstig, wenn man für die Hülsen Zirkon verwendet, da Zirkon einen niedrigen Neutroneneinfangsquerschnitt aufweist. Das obere Ende des Brennelementes ist mit einem Pfropfen 46 verschlossen, während in das untere Ende des Brennelementes ein Endpfropfen 48 eingesetzt ist. Beide Pfropfen können ebenfalls aus Zirkon hergestellt sein. Diese beiden Pfropfen sind in den beiden Enden des Brennelementes 14' eingeschweißt, so daß kein Reaktorkühlmittel zum Brennstoff gelangen kann, und so daß keine Spaltprodukte aus dem Brennelement austreten können. Die Hülse 45 eines jeden Segmentes ist mit einem spaltbaren Material wie beispielsweise mit Urandioxid gefüllt. Der Brennstoff, der im Brennelement nach F i g. 2 dargestellt ist, hat die Form von Pillen 50, die mit ihren Stirnflächen aufeinandergelegt sind. Der Brennstoff kann jedoch auch in Form von Pulver oder kleinen Partikelchen in die Hülsen eingebracht werden.In FIG. 2, a fuel element 14 'composed of segments is shown which, according to the invention is constructed. This fuel assembly consists of a number of segments 43, which are connected by connecting pieces 44 are connected to each other. Each segment has a cylindrical sleeve 45. These sleeves can be made from different materials. It is particularly beneficial if you use zircon for the sleeves used because zirconium has a low neutron capture cross-section. The top of the fuel bundle is closed with a plug 46, while in the lower end of the fuel assembly End plug 48 is inserted. Both plugs can also be made of zircon. These two Plugs are welded into the two ends of the fuel assembly 14 'so that no reactor coolant is used Fuel can get, and so that no fission products can escape from the fuel assembly. the Sleeve 45 of each segment is filled with a fissile material such as uranium dioxide. Of the Fuel in the fuel assembly according to FIG. 2 is in the form of pills 50 that come with their End faces are placed on top of one another. However, the fuel can also be in the form of powder or small Particles are introduced into the sleeves.

Das Brennelement 14' ist weiterhin mit einem Gasraum 54 versehen, in dem sich die gasförmigen Spaltprodukte ansammeln können, die während des Betriebs des Kernreaktors aus dem Brennstoff entweichen. Das Volumen dieser Kammer ist groß genug, daß die gasförmigen Spaltprodukte, die während eines Reaktorzyklus voraussichtlich aus dem Kernbrennstoff entweichen, keinen zu großen Druck erzeugen. In die Gaskammer 54 ist eine Feder 56 eingesetzt, die die Pillen 50' im oberen Segment gegeneinander drückt. Die von der Feder 56 ausgeübte Kraft beträgt etwa 2 kg. Die Feder im Gasraum wird zweckmäßigerweise aus Iconel-X, Stahl oder einem anderen Material hergestellt, das die entsprechenden Federeigenschaften aufweist. Sie ist vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildet, deren äußerer Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Hülse ist. Wenn man das Spiel zwischen der Feder und der Hülse nur klein wählt, kann die Feder zur Unterstützung der Hülsenwandung im Gasraum gegenüber dem hohen Außendruck beitragen, der auf die Hülse vom Kühlmittel bzw. Wasser innerhalb des Reaktors ausgeübt wird. Zwischen das untere Ende der Feder 56 und das obere Ende der Pille 50' ist eine flache Kreisscheibe 58 gesetzt, die einmal die Kraft der Feder auf die darunterliegende Pille verteilt und sie zum anderen verhindert, daß kleine Brennstoffpartikelchen in den Gasraum gelangen können.The fuel element 14 'is also provided with a gas space 54 in which the gaseous Fission products can accumulate and escape from the fuel during operation of the nuclear reactor. The volume of this chamber is large enough that the gaseous fission products, which during a Reactor cycle expected to escape from the nuclear fuel, do not generate excessive pressure. In the In the gas chamber 54, a spring 56 is inserted which presses the pills 50 'against one another in the upper segment. the The force exerted by the spring 56 is approximately 2 kg. The spring in the gas space is expediently made Iconel-X, made of steel or any other material, that has the appropriate spring properties. It is preferably designed as a helical spring, whose outer diameter is smaller than the inner diameter of the sleeve. If you look at the game between the Selects the spring and the sleeve only small, the spring can support the sleeve wall in the gas space opposite contribute to the high external pressure on the sleeve from the coolant or water within the Reactor is exercised. Between the lower end of the spring 56 and the upper end of the pill 50 'is a flat one Circular disk 58 set, which once distributes the force of the spring to the pill below and it to other prevents small fuel particles from getting into the gas space.

Die Verbindungsstücke 44 sind allgemein zylindrisch ausgebildet und weisen einen zylindrischen Mittelteil 60 auf, dessen Außendurchmesser etwa gleich dem Außendurchmesser der Hülse 45 ist. Weiterhin sind die Verbindungsstücke mit zwei quadratischen Flanschen 62 und 64 versehen, die voneinander einen gewissen Abstand haben und zusammen eine Nut 66 bilden. Die vier Ecken der quadratischen Flansche sind weggeschnitten, wie es im Schnitt A-A der Fig.2 dargestelltThe connecting pieces 44 are generally cylindrical and have a cylindrical central part 60, the outer diameter of which is approximately equal to the outer diameter of the sleeve 45. Furthermore, the connecting pieces are provided with two square flanges 62 and 64 which are spaced apart from one another and together form a groove 66. The four corners of the square flanges are cut away, as shown in section AA of FIG

ist. Hierdurch ist es möglich, dieses Brennelement in die bereits erwähnten Abstandsstücke einzusetzen. Wenn man dieses aus Segmenten aufgebaute Brennelement um einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise um 45° herumdreht, greifen Verriegelungsteile an den Abstandsstücken in die Nuten 66 ein, so daß das Brennelement und die Abstandsstücke gegeneinander verriegelt sind. Vom Mittelteil 60 der Verbtndungsstükke gehen kegelstumpfförmige Abschnitte 68 und 70 ab, die in die Hülsen 45 der danebenliegenden Segmente 43 eingreifen. Im Verbindungsstück 44 ist eine Öffnung 72 vorgesehen, durch die die gasförmigen Spaltprodukte aus den verschiedenen Segmenten in den Gasraum 54 gelangen können und die gleichzeitig für den Druckausgleich innerhalb des Brennelementes sorgen.is. This makes it possible to use this fuel assembly in the spacers already mentioned. if this fuel assembly made up of segments by a predetermined angle, for example by 45 ° turns around, locking parts on the spacers engage in the grooves 66, so that the The fuel assembly and the spacers are locked together. From the middle part 60 of the connecting pieces frustoconical sections 68 and 70 go off which are inserted into the sleeves 45 of the adjacent segments 43 intervention. An opening 72 is provided in the connecting piece 44 through which the gaseous fission products can get from the various segments into the gas space 54 and at the same time for the pressure equalization ensure within the fuel assembly.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist in der gegenseitigen Zuordnung des Endpfropfens 48,· des unteren Endes der Segmenthülse 45', der Wärmeisolierstückchen 102 und 102' und des Kühlmittels zu erblicken, das außen am Brennelement entlang strömt und in der F i g. 2 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Wie aus den Fig. 2 und 5 hervorgeht, ist der Endpfropfen 48 aus einem Stück hergestellt. Er weist einen zylindrischen Schaft 76 auf, der am Ende bei 78 abgeschrägt ist, um den Schaft 76 leichter in Sackbohrungen 24 der unteren Halterungsplatte 16 einsetzen zu können.An important feature of the invention can be seen in the mutual assignment of the end plug 48, the lower end of the segment sleeve 45 ', the heat insulating pieces 102 and 102' and the coolant that flows along the outside of the fuel assembly and is shown in FIG. 2 is indicated by dashed arrows. As can be seen from FIGS. 2 and 5, the end plug 48 is made in one piece. It has a cylindrical shaft 76 which is beveled at the end at 78 in order to be able to insert the shaft 76 more easily into blind bores 24 of the lower mounting plate 16.

Wie aus der F i g. 5 hervorgeht, weist der Endpfropfen 48 einen zylindrischen Ansatz 18 auf, dessen Durchmesser etwa gleich dem Außendurchmesser der Hülse 45' ist. Weiterhin ist der Pfropfen mit einem nach innen ragenden Endteil 82 versehen. Das Endteil 82 ist massiv. Seine Seitenfläche 84 ist kegelstumpfförmig ausgebildet. Die nach innen zeigende Stirnfläche 86 des Endpfropfens ist diejenige Fläche, an der das Wärmeisolierstückchen 102 anliegt. Zwischen der Seitenfläche 84 des Endteils 82 und der inneren Oberfläche der Hülse 45' befindet sich ein Ringraum 88 von keilförmigem Querschnitt. Weiterhin weist der untere Endpfropfen 48 einen zylindrischen Flansch 90 auf, dessen untere Stirnfläche 92 auf dem Teil der unteren Halterungsplatte ruht, der die Sacklöcher 24 umgibt, um die Brennelemente zu haltern. Zwischen den Flanschen 80 und 90 ist am Umfang ein Schlitz 94 angebracht, der während des Verschweißen einen Wärmeverlust vom Flansch 80 verhindern soll. Der Flansch 80 kann zum Teil aus dem Schweißmaterial bestehen. Das Verschweißen von Endpfropfen und Hülse wird dann so durchgeführt, daß man den Flansch 80 und das Ende der Hülse 45 auf eine Temperatur bringt, die über dem Schmelzpunkt dieser beiden Bauteile liegt, so daß die beiden Bauteile miteinander verschmelzen können und so daß sich eine kreisförmige Schweißnaht bildet.As shown in FIG. 5, the end plug 48 has a cylindrical extension 18, the diameter of which is approximately equal to the outer diameter of the sleeve 45 '. Furthermore, the plug is provided with an inwardly projecting end part 82. The end part 82 is solid. Its side surface 84 is frustoconical. The inwardly facing end surface 86 of the end plug is the surface on which the thermal insulation piece 102 rests. An annular space 88 of wedge-shaped cross-section is located between the side surface 84 of the end part 82 and the inner surface of the sleeve 45 '. Furthermore, the lower end plug 48 has a cylindrical flange 90, the lower end face 92 of which rests on the part of the lower mounting plate which surrounds the blind holes 24 in order to hold the fuel assemblies. Between the flanges 80 and 90, a slot 94 is made on the periphery, which is intended to prevent heat loss from the flange 80 during the welding. The flange 80 may consist in part of the welding material. The end plug and sleeve are then welded together by bringing the flange 80 and the end of the sleeve 45 to a temperature above the melting point of these two components so that the two components can fuse together and form a circular shape Forms weld seam.

Aus der F i g. 3 ging hervor, daß die Temperatur Ti im Zentrum der Stirnfläche am Ende der Pille 50 unter Betriebsbedingungen im Reaktor 1060° C beträgt, und daß die Temperatur Ti in der Mitte der Pille bei 1650° C liegt. Wie anschließend noch näher ausgeführt wird, ist die Temperatur Ti merklich niedriger als die äquivalente Temperatur Ti' (1240°C) bei dem erfindungsgemäßen Brennelement aus F i g. 5. Aus den F i g. 3 und 4 kann man entnehmen, daß der Temperaturabfall {Ti — Ti) am Spalt zwischen der Pille 50 und dem Endpfropfen 48 etwa 290° C beträgt. Die Temperatur Ts in der Mitte des Endpfropfens liegt bei 510°C, während die Temperaturen Tg und Tio an zwei außenliegenden Punkten 400° C und 300° C betragen. Bei dieser Temperaturverteilung beträgt die gemittelte Körpertemperatur des Endpfropfens 48 in der Schweißzone etwa 410°C. Es sei jedoch betont, daß die gemittelte Körpertemperatur 7ii des Endes der Hülse 45' etwa 300°C beträgt und damit etwa ITC höher als die Temperatur des Wassers ist, das in das Brennstoffbündel eintritt und im Wärmeaustausch mit den Brennelementen steht. Hieraus sieht man, daß sich die gemittelten Körpertemperaturen am Ende der Hülse 45' und im Endpfropfen 48 um etwa 100° C unterscheiden. Dieser Unterschied in den gemittelten Körpertemperaturen ist der Grund dafür, daß sich der Endpfropfen stärker als die Hülse ausdehnt, so daß Deformationen auftreten, die in F i g. 3 übertrieben groß dargestellt sind. Versuche sowie Betriebserfahrung haben gezeigt, daß diese Deformationen die Schweißnaht schwächen und somit zu einem vorzeitigen Zerfall der Schweißnaht beitragen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde es als notwendig festgestellt, entweder die Körpertemperatur des Endpfropfens herabzusetzen und/oder die Körpertemperatur der Hülse zu erhöhen. Versuche haben gezeigt, daß der maximal zulässige Unterschied der Körpertemperaturen bei 550°C liegt.From FIG. 3 it emerged that the temperature Ti in the center of the end face at the end of the pill 50 is 1060 ° C. under operating conditions in the reactor, and that the temperature Ti in the center of the pill is 1650 ° C. As will be explained in more detail below, the temperature Ti is noticeably lower than the equivalent temperature Ti ' (1240 ° C.) in the case of the fuel element according to the invention from FIG. 5. From FIGS. 3 and 4 it can be seen that the temperature drop (Ti - Ti) at the gap between the pill 50 and the end plug 48 is approximately 290 ° C. The temperature Ts in the middle of the end plug is 510 ° C, while the temperatures Tg and Tio at two external points are 400 ° C and 300 ° C. With this temperature distribution, the mean body temperature of the end plug 48 in the welding zone is approximately 410 ° C. It should be emphasized, however, that the mean body temperature 7ii of the end of the sleeve 45 'is approximately 300 ° C. and is thus approximately ITC higher than the temperature of the water which enters the fuel bundle and is in heat exchange with the fuel assemblies. From this it can be seen that the averaged body temperatures at the end of the sleeve 45 'and in the end plug 48 differ by about 100.degree. This difference in mean body temperatures is the reason that the end plug expands more than the sleeve, so that deformations occur which are shown in FIG. 3 are exaggerated. Tests and operational experience have shown that these deformations weaken the weld seam and thus contribute to premature disintegration of the weld seam. In order to avoid this disadvantage, it has been found necessary either to lower the body temperature of the end plug and / or to increase the body temperature of the sleeve. Tests have shown that the maximum allowable difference in body temperatures is 550 ° C.

Praktische Schwierigkeiten haben nun viele Lösungen dieses Problems verhindert, da es von großer Bedeutung ist, daß die Höhe der Brennstoffsäule auf einem Minimum gehalten wird, und da die Lösungen absolut zuverlässig sein müssen. Viele verschiedene Lösungen dieses Problems sind intern erörtert worden. Es wurde beispielsweise für notwendig erachtet, keramische Werkstücke zur Wärmedämmung einzusetzen, da Keramik eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit aufweist, die notwendig ist, um sowohl den Wärmeübergang als auch die Höhe der Brennstoffsäule auf einem Minimum zu halten. Keramik ist jedoch ungünstig, da sie bruchanfällig ist. Ein anderer Lösungsvorschlag besteht darin, zwischen den Endpfropfen und die unterste Brennstoffpille eine kleine Kugel einzusetzen. Diese Lösung zeichnet sich zwar durch die erforderliche Zuverlässigkeit aus. Da diese Kugel jedoch zur axialen Bauhöhe des Brennstoffelementes beiträgt, kommt diese Lösung nur sekundär in Betracht. Ein anderer Vorschlag bestand in der Verwendung von Kreisscheiben. Kreisscheiben sind jedoch vom Fertigungs-Standpunkt unterlegen, da sie sich beim Einsetzen in die Brennstoffhülle am Boden des Brennelementes häufig verkanten. Es wurden auch zahlreiche andere Bauteile zur internen Wärmedämmung vorgeschlagen, beispielsweise Kegel, Zylinder, becherförmig gedrückte Bauteile, Ringscheiben und ähnliches. Alle solche Maßnahmen sind zwar in gewissem Umfang brauchbar, sind jedoch dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterlegen.Practical difficulties have now prevented many solutions to this problem, since it is of great importance What matters is that the height of the fuel column is kept to a minimum, and so are the solutions must be absolutely reliable. Many different solutions to this problem have been discussed internally. For example, it was considered necessary to use ceramic workpieces for thermal insulation, since ceramics have a very low thermal conductivity, which is necessary for both the To keep heat transfer as well as the height of the fuel column to a minimum. Ceramic is however unfavorable because it is prone to breakage. Another proposed solution is between the end plugs and insert a small ball on the bottom fuel pill. This solution stands out though by the required reliability. Since this ball, however, to the axial height of the fuel element contributes, this solution is only of secondary importance. Another suggestion was that Use of circular disks. However, circular disks are inferior from the manufacturing point of view because they when inserting into the fuel cladding at the bottom of the fuel assembly often cant. There were too numerous other components have been proposed for internal thermal insulation, for example cones, cylinders, Cup-shaped pressed components, ring disks and the like. All such measures are in useful to some extent but inferior to the preferred embodiment of the invention.

In den F i g. 5 bis 10 sind nun die Wärmeisolierstückchen dargestellt, die in dem Brennelement nach der Erfindung verwendet werden. Um nun ein Brennelement ohne ein solches Wärmeisolierstückchen (Fig. 3) mit einem Brennelement vergleichen zu können, das ein solches Wärmeisolierstückchen verwendet (Fig. 5), ist angenommen, daß die Brennstofftemperaturen Ti und T1' in den beiden Figuren 1650° C betragen. Wie aus den F i g. 5, 7 und 8 hervorgeht, sind zwischen die Brennstoffpille 50 und den Endpfropfen Temperaturabfalls 48 dreieckige Wärmeisolierstückchen 102 und 102' eingesetzt. Diese Wärmeisolierstückchen sind mit Vorzug entweder aus Zirkon oder aus rostfreiem Stahl No. 304 hergestellt, da beide Werkstoffe die erforderlichen Festigkeiten 9 die erforderlichen Wärmeisolierstückchens und chemischen Eigenschaften besitzen. DieIn the F i g. Figures 5 to 10 now show the thermal insulators which are used in the fuel assembly according to the invention. In order to be able to compare a fuel element without such a heat insulating piece (FIG. 3) with a fuel element which uses such a heat insulating piece (FIG. 5), it is assumed that the fuel temperatures Ti and T1 'in the two figures are 1650 ° C. As shown in FIGS. 5, 7 and 8, triangular thermal insulators 102 and 102 ' are inserted between the fuel pill 50 and the temperature drop 48 end plug. These heat insulating pieces are preferably made of either zirconium or stainless steel No. 304 produced because both materials have the required strengths 9, the required heat insulating pieces and chemical properties. the

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Wärmeleitfähigkeit dieser Metalle ist jedoch sehr hoch, so daß an sich zu vermuten ist, daß Wärmeisolierstückchen aus diesen Werkstoffen insbesondere dann nicht verwendet werden können, wenn es besonders auf eine niedrige Höhe des Kernbrennstoffs ankommt.However, thermal conductivity of these metals is very high, so that it can be assumed that heat insulating pieces Made of these materials, in particular, cannot be used if there is a particular need for a low level of nuclear fuel arrives.

Nun wurde durch Versuche ermittelt, daß sich trotzdem mit diesen Wärmeisolierstückchen aus Metall ein ausreichender Temperaturabfall erzielen läßt, so daß die Wärmeisolierstückchen den Wärmeübergang stark genug hemmen. Nur ein kleiner Teil dieses Temperaturabfalls bildet sich an den metallischen Wärmeisolierstückchen selber aus, da ihr Werkstoff eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Der größte Teil des Temperaturabfalls bildet sich jedoch an den Grenzschichten oder Spalten A, B und C aus, die die sich zwischen der Pille 50 und den Wärmeisolierstückchen 102', zwischen den beiden Wärmeisolierstückchen 102' und 102 sowie zwischen den Wärmeisolierstückchen und der inneren Stirnfläche 86 des Pfropfens 48 befinden. Diese Beobachtung beruht auf der Voraussetzung, daß die Gebiete zwischen den Wärmeisolierstückchen bei der Herstellung des Brennelements mit Helium gefüllt werden und daß sich während des Betriebs des Brennelementes im Reaktor diese Gebiete weiterhin mit Helium und gasförmigen Spaltprodukten füllen. Diese gasförmigen Substanzen haben gegenüber den metallischen Wärmeisolierstückchen eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, und daher tragen diese gasgefüllten Zwischengebiete in sehr hohem Maße zur Wärmedämmung bei, wie anschließend noch erläutert wird.It has now been determined through experiments that, despite this, a sufficient temperature drop can be achieved with these metal heat-insulating pieces so that the heat-insulating pieces inhibit the transfer of heat strongly enough. Only a small part of this temperature drop is formed on the metallic heat insulating pieces themselves, since their material has good thermal conductivity. Most of the temperature drop, however, forms at the boundary layers or gaps A, B and C that form between the pill 50 and the thermal insulators 102 ', between the two thermal insulators 102' and 102, and between the heat insulators and the inner face 86 of the plug 48 are located. This observation is based on the assumption that the areas between the heat insulating pieces are filled with helium during the manufacture of the fuel assembly and that these areas continue to fill with helium and gaseous fission products during operation of the fuel assembly in the reactor. These gaseous substances have a very low thermal conductivity compared to the metallic heat insulating pieces, and therefore these gas-filled intermediate areas make a very large contribution to thermal insulation, as will be explained below.

Die thermische Wirkung ist nun in der Fig.6 dargestellt. In der Fig.6 ist ein Temperaturdiagramm gezeigt, in dem die Temperaturwerte an verschiedenen axialen und radialen Stellen innerhalb des Brennelementes aus Fig.5 angegeben sind. Die Temperatur XV beträgt 1650⁰C. Die Temperatur Ti' im Mittelpunkt der unteren Stirnfläche der Pille 50 beträgt 1240⁰C. Dieser Wert liegt um 165°C über der Temperatur Ti im Brennwert nach F i g. 3. Die Erhöhung des Temperaturwertes Ti' ist eine direkte Folge der Wärmeübergangsbarrieren, die durch die Wärmeisolierstückchen 102 und 102' bedingt sind. Diese Wärmeübergangsbarriere lenkt einen Teil des axial gerichteten Wärmeflusses durch den Pfropfen 48 radial nach außen durch die Pille und die Hülse 45' um. Wie in F i g. 6 gezeigt ist, ist der Temperaturabfall an den bereits erwähnten thermischen Grenzflächen sehr groß, wie aus den Temperaturdifferenzen Ti' - Tz' = 195⁰C (Grenzfläche A) Ta' - Ti' = 195°C (Grenzfläche B) und Te' - Ti' = 195°C (Grenzfläche Q hervorgeht. Weiterhin kann man sehen, daß der Temperaturabfall an jedem Wärmeisolierstückchen 102 und 102' jeweils nur 55° C beträgt. Das ist nicht ausreichend, um Deformationen der Hülse zu verhindern. Die Temperaturwerte in der Mitte und am Rand des Endpfropfens 48 sind Γβ' = 370⁰C, Te' = 335°C und Γιο' = 300⁰C. Hieraus ergibt sich für den Endpfropfen eine mittlere Körpertemperatur im Gebiet der Schweißzone von etwa 345°C, wie es in der Fig.6 dargestellt ist. Der Unterschied in den gemittelten Körpertemperaturen zwischen der Hülse und dem Pfropfen beträgt dann 45° C. Dieser Temperaturunterschied ist ausreichend klein, um Deformationen auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsunterschiede zu verhindern, die die Schweißnaht beeinträchtigen können.The thermal effect is now shown in FIG. FIG. 6 shows a temperature diagram in which the temperature values are given at various axial and radial locations within the fuel assembly from FIG. The temperature XV is 1650 ⁰ C. The temperature Ti 'in the center of the lower end surface of the pill 50 is 1240 ⁰ C. This value is around 165 ° C above the temperature Ti in the combustion value by F i g. 3. The increase in the temperature value Ti ' is a direct consequence of the heat transfer barriers which are caused by the heat insulating pieces 102 and 102' . This heat transfer barrier deflects part of the axially directed heat flow through the plug 48 radially outwards through the pill and the sleeve 45 '. As in Fig. 6, the temperature drop at the thermal interfaces already mentioned is very large, as can be seen from the temperature differences Ti ' - Tz' = 195 ⁰ C (interface A) Ta '- Ti' = 195 ° C (interface B) and Te '- Ti '= 195 ° C (interface Q is evident. Furthermore, it can be seen that the temperature drop across each thermal insulator 102 and 102' is only 55 ° C. This is not enough to prevent deformation of the sleeve. The temperature values in the middle and at the edge of the end plug 48 are Γβ '= 370 ⁰ C, Te' = 335 ° C and Γιο '= 300 ⁰ C. This results in an average body temperature in the area of the welding zone of about 345 ° C, as shown in FIG 6. The difference in the averaged body temperatures between the sleeve and the plug is then 45 ° C. This temperature difference is sufficiently small to prevent deformations due to different thermal expansion differences which impair the weld seam can do.

Aus den F i g. 8 und 9 geht hervor, daß die bevorzugte Form des Wärmeisolierstückchens nach der Erfindung ein gleichseitiges Dreieck mit abgerundeten Ecken ist.From the F i g. 8 and 9 it can be seen that the preferred shape of the thermal insulator according to the invention is an equilateral triangle with rounded corners.

Es können jedoch auch andere Dreiecksformen verwendet werden, sofern die benutzte Dreiecksform mit der beabsichtigten Funktion verträglich ist. Weiterhin wird das thermische Wärmeisolierstückchen so dünne gemacht, daß mehrere Wärmeisolierstückchen aufeinander gelegt werden können. Dadurch ergibt sich auf Grund der thermischen Grenzfläche eine stärkere Behinderung des Wärmeübergangs als bei nur einigen wenigen Wärmeisolierstückchen, die höher sind und zusammen die gleiche Bauhöhe haben. Die Abmessungen der Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung hängen von ihrem Verwendungszweck ab. Als Beispiel seien Abmessungen für das Wärmeisolierstückchen angegeben, das in den Brennelementen nach den F i g. 5, 7,8 und 9 verwendet ist:However, other triangular shapes can also be used, provided that the triangular shape used is compatible with the intended function. Furthermore, the thermal heat insulator becomes so made thin so that several pieces of thermal insulation can be placed on top of one another. This results in Due to the thermal interface, a stronger hindrance to the heat transfer than with only some a few pieces of thermal insulation that are higher and together have the same overall height. The dimensions the heat insulating pieces according to the invention depend on their intended use. As an an example let dimensions be given for the heat insulating piece, which is in the fuel assemblies according to the F i g. 5, 7,8 and 9 is used:

Innendurchmesser der Hülse 12,7 mmInner diameter of the sleeve 12.7 mm

Spiel (D) 0,25 mmClearance (D) 0.25 mm

Radius (R) 1,60 mmRadius (R) 1.60 mm

Dicke(T).... 0,75 mmThickness (T) .... 0.75mm

Breite (W) 10,20 mmWidth (W) 10.20 mm

Hieraus kann man sehen, daß metallische Wärmeisolierstückchen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit den Wärmeübergang sehr wirksam unterbinden können. Wie bereits erwähnt, ist es besonders wichtig, daß die Brennstoffsäule so klein wie möglich gehalten wird. Dieses ist mit den Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung möglich, da die Höhe einer Anzahl aufeinander gelegter, dünner Wärmeisolierstückchen aus Metall, zwischen denen sich Wärmegrenzflächen befinden, beträchtlich kleiner als die Höhe eines einzigen metallischen Körpers mit dem gleichen Wärmewiederstand ist.From this it can be seen that metallic heat insulating pieces with a high thermal conductivity Can prevent heat transfer very effectively. As mentioned earlier, it is particularly important that the Fuel column is kept as small as possible. This is with the heat insulating pieces after the Invention possible because the height of a number of thin pieces of thermal insulation made of metal, between which there are thermal interfaces, considerably smaller than the height of a single one metallic body with the same thermal resistance.

Es sei bemerkt, daß auch im Fall, in dem die Brennstoffpille zerbröckelt und den Zwischenraum zwischen den Wärmeisolierstückchen und der Hülse ausfüllt, keine höheren differentiellen Volumentemperaturen erzeugt werden, da die Temperatur Ti2' am Rand des Brennstoffs niedriger als die Temperatur Ti' in der Mitte der Stirnfläche der Pille ist.It should be noted that even in the event that the fuel pill crumbles and fills the space between the heat insulating pieces and the sleeve, no higher differential volume temperatures are generated since the temperature Ti2 'at the edge of the fuel is lower than the temperature Ti' in the center the face of the pill is.

Bei dem aus Segmenten aufgebauten Bauelement nach F i g. 2 kann ein einzelnes metallisches Wärmeisolierstückchen 103 dazu verwendet werden, zu große Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Verbindungsstück 44 und den zugehörigen Hülsenstücken zu verhindern. Das Wärmeisolierstückchen 103 verhindert weiterhin, daß Brennstoffpartikelchen, die von der Rille abbröckeln, durch die Öffnung 72 hindurch nach unten fallen und dadurch den Gasraum 104 des darunterliegenden Segmentes anfüllen.In the case of the component according to FIG. 2, a single metallic thermal insulation piece 103 can be used to prevent excessive differences in thermal expansion between the connecting piece 44 and the associated sleeve pieces. The thermal insulation piece 103 also prevents fuel particles, which crumble from the groove, from falling down through the opening 72 and thereby filling the gas space 104 of the segment below.

Wie bereits erwähnt, sind bereits Wärmeisolierstückchen der verschiedensten Form erörtert und Versuchen unterworfen worden. Die günstigste Form für ein solches Wärmeisolierstückchen ist jedoch ein Dreieck, wie es in den F i g. 8 und 9 dargestellt ist. Gibt man den Wärmeisolierstückchen diese Form, so rufen sie nicht nur die oben beschriebenen thermischen Wirkungen hervor, sondern lassen sich auch bei der Herstellung von Brennelementen besonders leicht in die Hülsen einsetzen. Wie dieses Einsetzen der Isolierstückchen in eine Brennstoffhülse während der Herstellung erfolgt, deren Länge etwa 3,50 m beträgt, ist in den Fig. 1OA bis 1OB dargestellt. Die Wärmeisolierstückchen 102 und 102' zeigen die beiden möglichen Stellungen in denen die Wärmeisolierstückchen die Hülse hinunter gleiten können. In der Fig. 1OA ist dargestellt, wie das Wärmeisolierstückchen 102 eine schräggestellte Brenn-As already mentioned, heat insulating pieces of various shapes have already been discussed and subjected to tests. However, the most favorable shape for such a heat insulating piece is a triangle, as shown in FIGS. 8 and 9 is shown. If the heat-insulating pieces are given this shape, they not only produce the thermal effects described above, but are also particularly easy to insert into the sleeves in the manufacture of fuel assemblies. How this insertion of the insulating pieces into a fuel sleeve takes place during manufacture, the length of which is approximately 3.50 m, is shown in FIGS. 10A to 10B. The heat insulating pieces 102 and 102 ' show the two possible positions in which the heat insulating pieces can slide down the sleeve. In Fig. 1OA it is shown how the heat insulating piece 102 is an inclined combustion

stoffhülse hinunter gleitet. Hierbei gleitet die Dreieckspitze 106 an der unteren Seite der Brennstoffhülse entlang und befindet sich hinter den Dreiecksspitzen 107 und 108, die innen auf der anderen Seite auf der Brennstoffhülse entlanggleiten. Während des Heruntergleitens in der Brennstoffhülse nehmen diese Wärmeisolierstückchen immerdann diese Stellung ein, wenn die Wärmeisolierstückchen mit einer Dreiecksseite voraus in die Brennstoffhülse eingesetzt werden. Das Wärmeisolierstückchen 102 gleitet dagegen mit seiner Ecke 106' auf der unteren Seite der Brennstoffhülse entlang und liegt vor den beiden Ecken 107' und 108', die innen auf der anderen Seite der Brennstoffhülse entlang gleiten. Die Wärmeisolierstückchen nehmen beim Heruntergleiten diese Stellungen immer dann ein, wenn sie mit einer Dreiecksspitze zuerst in die Brennstoffhülse eingesetzt werden.sleeve slides down. Here, the triangular point 106 slides along the lower side of the fuel sleeve and is located behind the triangular points 107 and 108, which slide along the inside on the other side of the fuel sleeve. During the sliding down in the fuel sleeve, these thermal insulation pieces always assume this position when the thermal insulation pieces are inserted into the fuel sleeve with one side of the triangle first. The heat insulating piece 102, on the other hand, slides with its corner 106 'along the lower side of the fuel sleeve and lies in front of the two corners 107' and 108 ', which slide along the inside on the other side of the fuel sleeve. The thermal insulation pieces always assume these positions when sliding down if they are first inserted into the fuel sleeve with a triangular tip.

In der Fig. 1OB ist nun gezeigt, wie die Seite 110 des Wärmeisolierstückchens 102 zu Beginn auf die Stirnfläche des Endpfropfens 48 auftrifft. Wenn dieses geschieht, so gleitet die Seite 110 weiterhin die Stirnfläche des Endpfropfens entlang, während die Spitze 106 weiterhin die Seitenwandung der Hülse nach unten gleitet. Dieses gleichseitige Gleiten der Seite 110 und der Spitze 106, das in der F i g. 1 OB durch die Pfeile angedeutet ist, dauert so lange an, bis das Wärmeisolierstückchen flach an der Stirnfläche des Endpfropfens anliegt, wie es in der Fig. IOC dargestellt ist. Das Wärmeisolierstückchen 102', bei dem die Spitze 106' vor der Seite 110' angeordnet ist, gleitet dagegen auf eine andere Weise als das Wärmeisolierstückchen 120, wenn es auf den Endpfropfen oder auf ein Wärmeisolierstückchen auftrifft, das bereits flach am Endpfropfen anliegt. In diesem Falle trifft zuerst die Spitze 106' auf Her Stirnfläche des Endpfropfens oder auf einem Wärmeisolierstückchen 102 auf. Anschließend dreht sich das Isolierstückchen 102 um die Spitze 106' herum, wie es in der Fig. IOC durch den Pfeil angedeutet ist. Diese Drehung reicht so weit, daß das Isolierstückchen flach gegen die Stirnfläche des Endpfropfens oder an einem Isolierstückchen 102 anliegt, wie es in der Fig. IOD gezeigt ist.In FIG. 10B it is now shown how the side 110 of the heat insulating piece 102 initially strikes the end face of the end plug 48. When this occurs, the side 110 continues to slide along the face of the end plug while the tip 106 continues to slide down the side wall of the sleeve. This equilateral sliding of the side 110 and the tip 106, which is shown in FIG. 1 OB is indicated by the arrows, lasts until the heat insulating piece rests flat on the face of the end plug, as shown in Fig. IOC. The thermal insulator 102 ', in which the tip 106' is arranged in front of the side 110 ' , on the other hand, slides in a different manner than the thermal insulator 120 when it hits the end plug or a heat insulator which is already lying flat against the end plug. In this case, the tip 106 ′ first strikes the face of the end plug or a heat insulating piece 102 . Then the insulating piece 102 rotates around the tip 106 ' , as is indicated in FIG. IOC by the arrow. This rotation extends so far that the insulating piece lies flat against the face of the end plug or on an insulating piece 102 , as shown in FIG. IOD.

Wenn kreisförmige Isolierstückchen die Brennstoffhülse hinuntergleiten, so zeigt sich, daß ihre Stirnflächen häufig parallel zur Längsachse des Brennelementes orientiert sind, so daß sie häufig unten im Brennelement auf ihren Kanten zur Ruhe kommen. Wenn nun eine Brennstoffpille 50 in die Hülse eingesetzt wird, stößt die Brennstoffpille gegen die obere Kante des Kreisscheibchens. Dadurch wird entweder der Abstand der Brennstoffpille vom unteren Endpfropfen zu groß oder die Brennstoffpille kann zerbrechen. Hieraus resultiert eine zu große Höhe der Brennstoffsäule, was die Physik des Reaktors beeinträchtigt. Zerbricht dagegen die Pille so wird entweder der Abstand zwischen den Pillen zu groß, oder die Pille bzw. Teile davon kommen in indirekte Berührung mit dem Endpfropfen. Beide Schwierigkeiten werden überwunden, wenn man die dreieckförmigen Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung verwendet. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, zu Beginn die Wärmeisolierstückchen an der Stirnfläche des unteren Endpfropfens zu befestigen und dann erst den Endpfropfen und die Hülse miteinander zu verschweißen. Diese Befestigung kann mittels Nieten durchgeführt werden (die durch eine Öffnung in der Mitte der Isolierstückchen 102 und 102' hindurchgehen). Die Befestigung der Isolierstückchen am Endpfropfen kann aber auch anders durchgeführt werden.When circular insulating pieces slide down the fuel sleeve, it is found that their end faces are often oriented parallel to the longitudinal axis of the fuel assembly, so that they often come to rest on their edges at the bottom of the fuel assembly. If a fuel pill 50 is now inserted into the sleeve, the fuel pill hits the upper edge of the circular disk. As a result, either the distance between the fuel pill and the lower end plug is too great or the fuel pill can break. This results in too great a height of the fuel column, which affects the physics of the reactor. If, on the other hand, the pill breaks, either the distance between the pills is too great, or the pill or parts of it come into indirect contact with the end plug. Both of these difficulties are overcome by using the triangular thermal insulators of the invention. In some cases it may be desirable to start by attaching the heat insulating pieces to the face of the lower end plug and only then to weld the end plug and the sleeve together. This attachment can be accomplished by means of rivets (which pass through an opening in the center of the insulators 102 and 102 ' ). The attachment of the insulating pieces to the end plug can also be carried out differently.

Wenn man bei Brennelementen der bereits beschriebenen Abmessungen Wärmeisolierstückchen nach der Erfindung verwenden will, so hat es sich als günstig erwiesen, das Verhältnis W/Tder Breite Wzur Dicke T (s. Fig.9) des Wärmeisolierstückchens zu etwa 13 zu wählen. Man kann jedoch von diesem Verhältnis sowie von den weiteren angegebenen Dimensionen und Formen auch abweichen, wenn bestimmte Erfordernisse vorliegen. Diese Abweichungen hängen von zahlreichen Faktoren ab. Solche Faktoren können die Kosten sein, die mit der Herstellung zahlreicher Wärmeisolierstückchen mit einem großen W/T^Verhältnis verbunden sind, die Einfachheit, mit der die Wärmeisolierstückchen in die Brennstoffhülsen eingeführt werden können, die erforderliche Größe des thermischen Widerstandes, die besondere Form des Wärmeisolierstückchens, der Werkstoff für das Wärmeisolierstückchen, der Innendurchmesser der Brennstoffhülse, die maximal zulässige Vergrößerung der Höhe der Brennstoffsäule sowie zahlreiche andere Gesichtspunkte, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind.If you want to use heat insulating pieces according to the invention for fuel elements of the dimensions already described, it has proven to be advantageous to choose the ratio W / T of the width W to the thickness T (see FIG. 9) of the heat insulating piece to about 13. However, it is also possible to deviate from this ratio and from the other specified dimensions and shapes if certain requirements exist. These deviations depend on a number of factors. Such factors may be the cost of producing numerous thermal insulators with a large W / T ratio, the ease with which the thermal insulators can be inserted into the fuel sleeves, the required amount of thermal resistance, the particular shape of the thermal insulator , the material for the thermal insulation, the inner diameter of the fuel sleeve, the maximum allowable increase in the height of the fuel column, and numerous other considerations known to those of ordinary skill in the art.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Fuel element for nuclear reactors with an elongated sleeve containing nuclear fuel at least in one part of the sleeve and closed at the upper and lower ends by plugs and that between the nuclear fuel and the plug at the lower end to increase the Heat transfer resistance contains a disc-shaped metallic body, thereby characterized that this body consists of at least one thin, not with other parts firmly connected, flat metal plates (102,102 ') in the form of an equilateral triangle with rounded ones Corners.

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the metal plate is made of stainless Steel that is 0.75 mm thick and its corners with a radius of curvature of 1.5 mm is rounded.

3. Fuel assembly according to one of claims 1 or 2, wherein the sleeve is constructed from segments which are connected to one another by connecting pieces, characterized in that between the End faces of each connector (44) and the nuclear fuel (50) resting thereon single metal plate (103) is set.