DE1614308C3

DE1614308C3 - Rod-shaped fuel assembly for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1614308C3
Application number: DE19671614308
Authority: DE
Inventors: Günther Dr. 6456 Langenselbold Schneider
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1967-12-13
Filing date: 1967-12-13
Publication date: 1976-12-23

Description

Die Erfindung betrifft ein stabförmiges Brennelement für Kernreaktoren, bestehend aus einer von einem Hüllrohr umgebenen Brennstoffsäule, die in ihrer axialen Position festgelegt ist.The invention relates to a rod-shaped fuel assembly for nuclear reactors, consisting of a fuel column surrounded by a cladding tube, which in its axial position is set.

Für die bei der Kernspaltung entstehenden, unlöslichen Gase wird in den Brennstäben ein freier Raum, das sogenannte Plenum, oberhalb der Brennstoffsäule vorgesehen, um eine vorzeitige Zerstörung der Brennstäbe durch den sich aufbauenden Überdruck zu verhindern und die stark Neutronen absorbierenden Spaltgase vom Brennstoff in das Plenum abzuführen. Dieses freie Volumen muß also unter allen Umständen erhalten bleiben, damit eine störungsfreie Funktion der Brennstäbe gewährleistet ist. Zur Sicherung des Plenums, also gegen ein Verschieben der, meist aus UO2-Pellets bestehenden Brennstoffsäule in diesen freien Raum bis zum betriebsbereiten Einsatz im Reaktor, verwendet man üblicherweise eine leicht vorgespannte Feder aus NiCr-Legierungen, die jedoch eine Ausdehnung des Brennstoffs bei Erwärmung zuläßt. Damit ist die Brennstoffsäule in ihrer Lage fixiert, was wegen vielfacher Handhabungen im Fertigungs- und Prüfvorgang, beim Assemblieren der Stäbe zu Elementen, beim Transport zur Reaktorstation und bei den dortigen Ladevorgängen unbedingt erforderlich ist.A free space is created in the fuel rods for the insoluble gases produced during nuclear fission, the so-called plenum, provided above the fuel column, to prevent premature destruction of the fuel rods to prevent the build-up of overpressure and the strong neutron absorbing fission gases of the fuel in the plenum. This free volume must therefore be preserved under all circumstances remain so that a trouble-free function of the fuel rods is guaranteed. To secure the plenary, i.e. against shifting the fuel column, which usually consists of UO2 pellets, into these free ones Space until it is ready for use in the reactor, a slightly pre-stressed one is usually used Spring made of NiCr alloys, which, however, allows the fuel to expand when heated. So is the fuel column is fixed in its position, which is due to multiple manipulations in the manufacturing and testing process, when assembling the rods to form elements, when transporting them to the reactor station and during the loading processes there is absolutely necessary.

Die Feder läßt sich je nach Fertigungsprozeß vor oder nach der Brennstoffsäule in das Hüllrohr einschieben, worauf der Brennstab (nach dem Evakuieren und Helium-Füllen) unter Anpressen der zweiten Endkappe entgegen der Federkraft, bis zur Vorspannung gehalten, verschweißt wird. Bei der Arbeitsfolge Brennstoff-, Feder-Füllung, Endkappen-Schweißen kann sich das Feder- mit dem Rohrmaterial legieren und zur Zerstörung des Stabes führen. Man vermeidet dies und erleichtert das Verschweißen des Stabes, wenn die Feder in das Leerrohr, also vor die Brennstoffsäule eingelegt wird, da das Gewicht (bei senkrechter oder schräger Füllage) und die Reibung der Säule im Rohr den größten Teil der Federvorspannung aufnehmen kann. Es müssen dann aber geeignete Maßnahmen zur Vermeidung eines Pellelbruchs beim Schweißen der zweiten Endkappe, z. B. durch Einlegen von Aluminiumoxidscheiben, getroffen werden. Ein zusätzlicher Aufwand erfordert bei einer solchen Arbeitsweise die Einhaltung der gespannten Federlänge und das Ausmessen der Brennstoffsäule im Hüllrohr. Es kann z. B. vorkommen, daß die Feder zu stark vorgespannt wird (Verkleinerung des genau berechneten Plenums) und/oder die Brennstoffsäule im Hüllrohr durch Lageänderung, Abplatzungen beim Füllvorgang u. dgl. nicht die spezifizierte, vorgelegte Länge hat.Depending on the manufacturing process, the spring can be pushed into the cladding tube before or after the fuel column, whereupon the fuel rod (after evacuation and helium filling) while pressing the second end cap is welded against the spring force, held until the pretension. In the work sequence fuel, Feather filling, end cap welding can alloy the spring with the pipe material and lead to destruction of the staff. This avoids this and makes it easier to weld the rod when the spring is inserted into the empty pipe, i.e. in front of the fuel column, as the weight (in the case of a vertical or inclined Filling position) and the friction of the column in the tube can absorb most of the spring preload. It However, appropriate measures must then be taken to prevent the pellet from breaking when welding the second End cap, e.g. B. by inserting aluminum oxide discs. An additional effort in such a way of working requires compliance with the tensioned spring length and measurement of the Fuel column in the cladding tube. It can e.g. B. may happen that the spring is pretensioned too much (reduction of the precisely calculated plenum) and / or the fuel column in the cladding tube due to change in position, flaking does not have the specified, presented length during the filling process and the like.

Gegen die Verwendung einer Feder zur Sicherung des Plenums spricht außer den erwähnten Unsicherheiten beim Fertigungsprozeß weiterhin ihr relativ großes Eigenvolumen und Neutronenabsorpiionsvermögen. Trotz dieser zusätzlichen Nachteile, die letztlich die spezifische Brennstoffleistung herabsetzen (Beeinflussung des Brennstoffvolumens und der Neutroncnbilanz), sind bislang keine besseren technischen Lösungen gefunden worden, die den erwähnten Faktoren Rechnung tragen.In addition to the above-mentioned uncertainties, there are arguments against the use of a spring to secure the plenum their relatively large intrinsic volume and neutron absorption capacity continue during the manufacturing process. Despite these additional disadvantages, which ultimately reduce the specific fuel output (influence the fuel volume and the neutron balance) are no better technical solutions so far have been found that take the factors mentioned into account.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Befestigungselemente zu finden, die die Brennsioffsäule in einem Hüllrohr in ihrer axialen Position festlegen, ohne die bekannten Nachteile der bisher verwendeten Federn zu besitzen.It was therefore an object of the present invention. Find fasteners that support the fuel column set in a cladding tube in their axial position without the known disadvantages of the previously used Own feathers.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennsioffsäule im Hüllrohr durch die Klemmwirkung eines Bimetallklemmelements festgehalten ist.In the case of the fuel assembly mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that the fuel column is held in the cladding tube by the clamping effect of a bimetallic clamping element.

Die Funktionen der bisher verwendeten Federn, also Freihalten des Plenums und Zulassen einer Ausdehnung der Brennstoffsäule, werden dabei gleichwertig vom Klemmring erfüllt. Eine radiale Federkraft zum Einlegen des Klemmrings ist nicht unbedingt erforderlich, da der Bimetallring durch Vorwärmen ausreichend schrumpft, um leicht in die vorbestimmte Lage gebracht zu werden. Diese Durchmesser-Reduktion wird durch Anordnung der Metallkomponente mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an der Außenzone des Ringes erreicht. Beim Erkalten legt sich der Ring zunächst an die Rohrwandung an und benötigt für einen festen Sitz lediglich eine weitere geringfügige, radiale Ausdehnung, die er elastisch aufnehmen muß. Es ♦genügt hierzu die Elastizität einer der beiden Metallkomponenten, solange die metallische Bindung des Bimetalls erhalten bleibt. Der Klemmring bildet somit die obere, feste Begrenzung der Brennstoffsäule und wird nur durch Erwärmen gelockert. Dies geschieht erst bei der Eigenerwärmung des Brennstoffs im Reaktor.The functions of the springs used so far, i.e. keeping the plenum free and allowing expansion the fuel column, are equally fulfilled by the clamping ring. A radial spring force to the Inserting the clamping ring is not absolutely necessary, as the bimetal ring is sufficient by preheating shrinks to be easily placed in the predetermined position. This diameter reduction will by arranging the metal component with a higher thermal expansion coefficient in the outer zone of the ring. When it cools down, the ring first rests against the pipe wall and is needed for a tight fit only a further slight, radial expansion, which it must absorb elastically. It ♦ The elasticity of one of the two metal components is sufficient as long as the metallic bond of the bimetal is sufficient preserved. The clamping ring thus forms the upper, fixed limit of the fuel column and is only loosened by warming. This only happens when the fuel in the reactor heats itself up.

Die Bimetall-Kombination, die Form und die radiale Vorspannung des Klemmrings im Hüllrohr erlauben vielfache Variationsmöglichkeiten. Sie können beispielsweise so ausgelegt werden, daß die Brennstoffsäule bis etwa 50⁰C durch den Preßsitz des Klemmrings fixiert bleibt und die Gleitung des Ringes bei weiterer Temperaturerhöhung um rund 20⁰C durch den Schub der sich ausdehnenden Pelletsäule eintritt. Die bekannte Kupfer/lnvar-Kombination als Klemmring in Spiral- oder C-Form (Abb.3 bis 6; 8) mit 5%iger Durchmesser-Vorspannung in einem Zircaloy-Hüllrohr des Brennstabes für einen bekannten Siedewasser-Reaktor ermöglicht die Einhaltung dieser Bedingungen.The bimetal combination, the shape and the radial pretensioning of the clamping ring in the cladding tube allow many possible variations. They can be designed for example so that the fuel column remains fixed to about 50 ⁰ C by the interference fit of the clamping ring and enters the sliding of the ring on further temperature increase of about 20 ⁰ C by the thrust of expanding pellet column. The well-known copper / invar combination as a clamping ring in spiral or C-shape (Fig. 3 to 6; 8) with 5% diameter preload in a Zircaloy cladding tube of the fuel rod for a known boiling water reactor enables these conditions to be met .

Eine 3,3 m lange Brennstoffsäule würde sich in diesem Fall bei 70⁰C um etwa 0,6 mm verlängern. Die Brennstab-Durchbiegung zur Aufnahme dieser Verlängerung könnte vernachlässigt werden, da bereits das HüllrohrIn this case, a 3.3 m long fuel column would lengthen by approximately 0.6 mm ^{at 70 ° C.} The deflection of the fuel rod to accommodate this extension could be neglected, since the cladding is already there

den größten Teil der Radialkräfte aufnehmen würde. — Es sind aber auch Ausführungen in Federform mit wenigen Windungen denkbar (in A b b. 5 skizziert), bei denen z. B. nur die oberen beiden Windungen im Rohr durch die Bimetall-Wirkung festsitzen, während die unteren Windungen bei bestimmter Vorspannung eine gewisse Federfunktion ausüben. Gegenüber den bislang üblichen Federkonstruktionen mit mindestens 20 bis 50 Windungen bliebe auch bei dieser Bimetall-Klemmringvariante ein beachtlicher Vorteil erhalten.would absorb most of the radial forces. - But there are also designs in spring form with a few Windings conceivable (sketched in A b b. 5), in which z. B. only the top two turns in the pipe due to the bimetallic effect, the lower windings have a certain amount of pretension Exercise spring function. Compared to the usual spring constructions with at least 20 to 50 Windings would also retain a considerable advantage in this bimetal clamping ring variant.

In manchen Fällen kann die Kombination von Klemmringen mit zur Brennstoffsäule angeordneten kurzen Federn vorteilhaft sein, wenn die vorgespannte Feder die beginnende Ausdehnung der Brennstoffsäule übernehmen und der Klemmring erst bei höherer Temperatur so weit gelockert werden soll, daß eine Gleitung eintritt. Die-Ausdehnung der Pelletsäule (bei 3,3 m Länge/100°C etwa 3 mm oberhalb 25O⁰C) würde dann z. B. bis 200⁰C von dem kurzen Federstück und darüber vom gleitenden Klemmring aufgenommen werden. Die betrachtete, 3,3 m lange UCh-Brennstoffsäule, dehnt sich bei 200°C um 0,08% = 2,64 mm aus, so daß zwei Begrenzungs- und eine Federwindung genügen, um diese Ausdehnung beim Anfahren des Reaktors aufzufangen. Die Temperatur des darüberliegenden Bimetall-Klemmringes wird naturgemäß niedriger sein. Selbst wenn sich bei einer mittleren Brennstofftemperatur von 200°C der Bimetall-Ring auf 80 bis 100°C erwärmt haben sollte, so würde auch schon der einfache Dreieekring (Abb. 1) mit Konstantan/Invar-Blech, 1 mm Dicke, 6 mm Breite, ungespannter Durchmesser 12,83 mm, im Hüllrohr mit Innendurchmesser 12.46 mm, auf 12,44 mm Durchmesser schrumpfen, so daß er im Plenumteil des Hüllrohres frei verschiebbar wäre.In some cases, the combination of clamping rings with short springs arranged towards the fuel column can be advantageous if the pretensioned spring takes over the initial expansion of the fuel column and the clamping ring is only to be loosened at a higher temperature to such an extent that sliding occurs. The expansion of the column of pellets (3.3 m length / 100 ° C is about 3 mm above 25O ⁰ C) would then be z. B. to 200 ⁰ C of the short spring piece and above the sliding clamping ring. The 3.3 m long UCh fuel column under consideration expands at 200 ° C. by 0.08% = 2.64 mm, so that two limiting and one spring turns are sufficient to absorb this expansion when the reactor is started up. The temperature of the overlying bimetal clamping ring will naturally be lower. Even if the bimetal ring should have heated up to 80 to 100 ° C with an average fuel temperature of 200 ° C, the simple triangular ring (Fig. 1) with constantan / invar sheet metal, 1 mm thick, 6 mm would be Width, untensioned diameter 12.83 mm, in the cladding tube with an inner diameter of 12.46 mm, shrink to 12.44 mm diameter, so that it could be freely displaced in the plenum part of the cladding tube.

Die Klemmringe sollen bei Inbetriebnahme des Reaktors im wesentlichen ihre Wärmezufuhr aus axialer und wenig aus radialer Richtung erhalten, weshalb Wärmeleitplatten (Abb.4, 8) und Abstandsrippen (A b b. 3, 5) oder Nocken (A b b. 4, 6, 8) vorteilhaft sind. Statt Wärmeleitplatten können beispielsweise auch zylindrische Ansätze in metallischer Verbindung mit den Klemmringen angebracht werden, die in den Hohlraum eines entsprechenden Ringpellets als Abschluß der Brennstoffsäule hineinragen. Vom Gesichtspunkt der Wärmezufuhr und -abgabe sind Dreiecksformen (Abb. 1, 2) günstig; sie können zusätzlich noch mit Wärmeleitplatten (ähnlich Abb.4) versehen werden. Ihre Wärmeableitung an das Hüllrohr kann nur über die anliegenden Kanten der 3 Ecken erfolgen. Bei einer Dreieck- oder Viereckkonzeption läßt sich die Birnetallkomponente mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch innen anordnen, um eine Schrumpfwirkung bei Temperaturerhöhung zu erhalten. — Für die Verstärkung des Bimetall-Effektes und des Preßsitzes empfiehlt sich eine Verkleinerung des Verhältnisses Dicke zu Breite des Blechbandes gegenüber den skizzierten Ausführungsformen, also von '/3 auf beispielsweise Vio, wodurch die am Hüllrohr anliegenden Flächen größer werden. Durch Einkerbungen (A b b. 2) oder Abstandsnocken läßt sich die Wärmeableitung aber gleich groß halten wie bei Klemmringen geringerer Breite. — Natürlich sind auch andere als die skizzierten Rechteck-Querschnitte denkbar, doch dürfte die Beibehaltung der bewährten Bandform von Bimetallen im allgemeinen angebracht sein.When the reactor is put into operation, the clamping rings should essentially provide their heat supply from an axial direction and received little from the radial direction, which is why thermal conduction plates (Fig. 4, 8) and spacer ribs (A b b. 3, 5) or cams (A b b. 4, 6, 8) are advantageous. Instead of heat conducting plates, for example, cylindrical Lugs in metallic connection with the clamping rings are attached, which are in the cavity a corresponding ring pellet protrude as the end of the fuel column. From the point of view of Triangular shapes (Fig. 1, 2) are beneficial for the supply and release of heat; you can also use Thermal conductive plates (similar to Fig. 4) can be provided. Your heat dissipation to the cladding tube can only via the adjacent edges of the 3 corners are made. In the case of a triangular or square design, the pear-shaped component can be Also arrange inside with a higher thermal expansion coefficient in order to obtain a shrinking effect when the temperature increases. - To increase the bimetal effect and the press fit, it is advisable to reduce the Ratio of thickness to width of the sheet metal strip compared to the sketched embodiments, that is of 1/3 on Vio, for example, which increases the surface area on the cladding tube. Through notches (A b b. 2) or spacer cams, the heat dissipation can be kept the same size as with clamping rings smaller width. - Of course, other than the sketched rectangular cross-sections are also conceivable, but should the retention of the proven band shape of bimetals should generally be appropriate.

Der Preßsitz im Hüllrohr bei Temperaturen unterhalb 50 bis 8O⁰C muß mindestens so fest sein, daß das Gewicht der Brennstoffsäule gehalten wird, wenn man den Stab um 180° gegen die Vertikale dreht. Das dürfte zwar nur unbeabsichtigt geschehen, doch muß die Sicherung zur Fixierung des Brennstoffs für einen solchen Fall vorgesehen werden. Bei falschem Transport in dieser Kopflage würden sogar noch Beschleunigungskräfte hinzukommen, so daß die Forderung, das doppelte Brennstoffgewicht als Größenordnung für die Aufnahme axialer Kräfte durch den Klemmring anzustreben, angemessen sein dürfte. Der ungünstigste Fall bei bekannten Brennstäben könnte demnach zu einer axialen Belastung von etwa 8,2 kg führen; tatsächlich werden in diesem Fall sogar nur minimal 4,1 kg gefordert. Vorversuche mit offenen Ringformen aus 0,5 mm dicken, 6 mm breiten Stahlbändern ergaben, daß ein • nur um 0,2% seines Durchmessers auffedernder Klemmring an den glattwandigen Zircaloy-2-Hüllrohren so angepreßt wird, daß er axiale Belastungen bis zu 3,5 kp ohne Verschiebung aufnimmt. Mit dickeren Bändern und größeren radialen Vorspannungen lassen sich die Belastungen verdoppeln. Schließlich kann der Reibwiderstand erhöht werden: Cu, Ni an der Außenzone der Bimetallringe; Aufrauhung der Oberfläche.The interference fit in the cladding tube at temperatures below 50 to 8O ⁰ C must be at least so hard that the weight of the fuel column is maintained when rotating the rod 180 ° to the vertical. This is likely to happen unintentionally, but the safety device to fix the fuel must be provided for such a case. In the event of incorrect transport in this head position, acceleration forces would even be added, so that the requirement to aim for twice the fuel weight as the order of magnitude for the absorption of axial forces by the clamping ring should be reasonable. The worst case with known fuel rods could therefore lead to an axial load of about 8.2 kg; in fact, only 4.1 kg are required in this case. Preliminary tests with open ring shapes made of 0.5 mm thick, 6 mm wide steel strips showed that a • clamping ring that only springs up by 0.2% of its diameter is pressed against the smooth-walled Zircaloy-2 ducts in such a way that it can withstand axial loads of up to 3, Absorbs 5 kp without shifting. The loads can be doubled with thicker strips and greater radial pre-tensioning. Finally, the frictional resistance can be increased: Cu, Ni on the outer zone of the bimetal rings; Roughening the surface.

Als weitere Eigenschaften des Klemmringes müssen Temperaturbeständigkeit und Verträglichkeit mit benachbartem Material gefordert werden, wie sie in etwa von der Feder erfüllt werden: Es darf keine Reaktion mit einem 300 bis 500°C heißen Hüllrohr auftreten. Dagegen dürfte sich die metallische Bindung zwischen den Metallkomponenten schon bei Temperaturen um 500⁰C lösen, da kein reversibler Dehnvorgang eintreten muß; der Schmelzpunkt der Metalle sollte aber nicht unter 1000⁰C liegen. — Diese Forderungen werden von den meisten handelsüblichen Bimetallen erfüllt.Further properties of the clamping ring must be temperature resistance and compatibility with neighboring material, as is roughly fulfilled by the spring: There must be no reaction with a jacket tube at 300 to 500 ° C. In contrast, the metallic bonding between the metal component is likely to dissolve at temperatures of 500 ⁰ C, since there is no reversible stretching operation must occur; but the melting point of the metals should not be below 1000 ⁰ C. - These requirements are met by most of the commercially available bimetals.

Bei Ersatz der in bekannten Brennstabkonstruktionen eingesetzten Federn (meist aus Inconel-X) durch beispielsweise Cu/Invar-Bimetallklemmringe ergibt sich eine erhebliche Herabsetzung der parasitären Neutronenabsorption durch die Verringerung des Strukturmaterials. Als Anhaltspunkt für die Größe dieser Auswirkung genügt eine Berechnung der Absorptionsverhältnisse durch Neutronen im thermischen Geschwindigkeitsbereich. Gegenüber den Federkonstruktionen ergeben sich bei Klemmringen der in den A b b. 7 und 8 skizzierten Formen zwischen 1,5% (Dreieck im Druckwasser-Hüllrohr) bis 18% (C-Form mit Wärmeleitplatte im Siedewasser-Hüllrohr) der auf Gewicht und Boräquivalente bezogenen »Verunreini- · gungen« des entsprechenden Brennstoffes.When replacing the springs used in known fuel rod constructions (mostly made of Inconel-X) by for example Cu / Invar bimetal clamping rings results there is a considerable reduction in parasitic neutron absorption by reducing the Structural material. A calculation of the absorption ratios is sufficient as a reference point for the magnitude of this effect by neutrons in the thermal speed range. Compared to the spring constructions result with clamping rings in the A b b. 7 and 8 outlined shapes between 1.5% (Triangle in the pressurized water cladding tube) up to 18% (C-shape with heat conducting plate in the boiling water cladding tube) of the Weight and boron equivalents related to »impurities« of the corresponding fuel.

Die zulässige Plenum-Vergrößerung durch Klemmringe errechnet sich zu maximal 32% (Dreieck im Druckwasser-Hüllrohr) und im ungünstigsten Fall zu 5% (C-Form mit Wärmeleitplatte im Siedewasser-Hüllrohr), da der Dreieck-Klemmring nur 0,5% eines relativ großen Federvolumens einnimmt, während der C-Ring mit Platte etwa 1% eines verhältnismäßig geringen Federvolumens beim Siderwasser-Brennstab beansprucht. The permissible plenum enlargement by means of clamping rings is calculated to be a maximum of 32% (triangle in Pressurized water cladding tube) and in the worst case to 5% (C-shape with heat conducting plate in the boiling water cladding tube), since the triangular clamping ring occupies only 0.5% of a relatively large spring volume, during the C-ring with plate takes up about 1% of a relatively small spring volume in the Siderwasser fuel rod.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

l. Rod-shaped fuel element for nuclear reactors, consisting of one surrounded by a cladding tube Fuel column which is fixed in its axial position, characterized in that that the fuel column is fixed in the cladding tube by the clamping action of a bimetallic clamping element is.

2. Rod-shaped fuel assembly according to claim 1, characterized in that the bimetal components are selected and arranged so that the interference fit in the cladding tube is canceled by heating

, and the clamping ring can be moved easily.

3. Rod-shaped fuel assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the triangular, polygonal, C, spiral or spring-shaped bimetal clamping elements with spacers and / or Heat conduction devices are provided.

4. Rod-shaped fuel assembly according to AnspVitch 1 to 3, characterized in that the on known springs in the plenum of the shell tubes are wholly or partially replaced by bimetallic clamping rings are.