DE1957880A1

DE1957880A1 - Nuclear fuel rod with low coolant drag

Info

Publication number: DE1957880A1
Application number: DE19691957880
Authority: DE
Inventors: Hines Douglas Philip
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1969-11-18
Filing date: 1969-11-18
Publication date: 1971-05-27

Abstract

The individually fuel rods are each divided into a lower zone containing the fuel material and an upper hollow zone for the fission products. The hollow zone is offset by bending and the rods are grouped in bundles of six, the hollow zones close together and the field zones correspondingly spaced apart. The hydraulic diameter at the hollow zone end is enlared so as to minimized pressure drop along the rods. Two such bundles may be assembled to form a single, fuel assembly the majority of the coolant flow being through the gap between the grouped plenum zones of the bundles.

Description

Nuklearer Bronnstab Die Erfindung botrifft einen nukloaron Brennstab zur Herabsetzung des totalon Druckabfalls des Reaktorkernkühlmittels, bestehend aus olnor längsgedehnten Brennstoffzone nahe dom untoron Ende und einer längsgedehnten Plonumszono zur Aufnahme dor Spaltprodukte nahe dem oboron Ende des Brennstabes. Nuclear fuel rod The invention was a nukloaron fuel rod to reduce the totalon pressure drop of the reactor core coolant, consisting of from olnor elongated fuel zone near dom untoron end and one elongated Plonumszono for taking up the fission products near the oboron end of the fuel rod.

Bekanntlich Ist der Brennstoff für schnelle Reaktoren durch die wirtschaftlichen Forderungen nach hohom Abbrand und hoher spezifischer Leistung gekennzeichnet. Unter diesen Bedingungen setzen viele Bronnstoffo, darunter Oxide, Karbide und Nitride große Mengen an Spaltgas frei. Eine bekannte Bronnstoffstabausführung ermöglicht ein kontinuierliches Entweichen dos Spaltgasos aus dom Brennstift odor dem Bronnstab zur Horabsetzung der Druckdifferenz über dem Brennstoffhüllrohr.It is well known that the fuel for fast reactors is economical Requirements for high burn-up and high specific performance. Under These conditions are set by many carbon materials, including oxides, carbides, and nitrides large amounts of cracked gas are released. A known bronze rod design enables A continuous escape of the fission gas from the fuel pin or the bronze rod to reduce the pressure difference across the fuel cladding tube.

Bei einer weiteren Ausführungsform von Brennstoffstäben, weiterhin als "nicht-entlüftete" Brennstoffstäbe bezeichnet, sammelt slch das frelgosotzto Spaltgas In dom Brennstoffstift oder -stab in dem brennstoff-freien, vom Brennstoff abgesetzten Teil, dem Plenum, an. Bei bekannten "entlüfteten" oder "nicht-entlüfteten" Brennstab- oder Brennstiftanordnungen sind Brennstoff und Plonum In einem metallischen Hüllrohr in Form eines geraden Zyllnders ohno Kröpfung. angeordnet. Der dadurch vorgegebene hydraulische Durchmesser ist über Länge des Brennstabes konstant. Eln Nachteil dieser bekanntor nicht-entiüftoton und auch der entlüfteten Brennstabanordnungen, in denen der Entlüftungskanal sehr lang ist, Ist durch don hohon Druckabfall des Kühlmittels beim Vorbeifließen an den Plenumregionen der Bronnstäbe gogobon.In a further embodiment of fuel rods, furthermore referred to as "non-vented" fuel rods, collects the frelgosotzto Cracked gas in dom fuel pin or -staff in the fuel-free, the part separated from the fuel, the plenum. When known "vented" or "Non-vented" fuel rod or pin assemblies are fuel and plonum In a metallic jacket tube in the form of a straight cylinder with no offset. arranged. The resulting hydraulic diameter is over the length of the fuel rod constant. A disadvantage of this well-known non-deaerated and also of the deaerated Fuel rod assemblies in which the vent channel is very long is through don high pressure drop of the coolant when flowing past the plenum regions of the Bronn rods gogobon.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Kühlmitteldruckabfall dadurch vermindert worden kann, daß dlo Pienumregion nicht don gleichen hydraulischen Durchmesser wie die Brennstoffzone im Reaktor aufweist. Die Druckabfallgleichung, auch als DARCY-Gleichung bezeichnet, lautet in ihrer allgemeinen Form: # = Druckabfall # = spezifisches Flüssigkeitsgewicht f = Reibung L = Länge D = hydraullschor Durchmessor V = Flüssigkeitsgeschwindigkeit g = Gravitationskonstante.The present invention is based on the discovery that the coolant pressure drop can be reduced by the fact that the pienum region does not have the same hydraulic diameter as the fuel zone in the reactor. The pressure drop equation, also known as the DARCY equation, in its general form is: # = Pressure drop # = specific fluid weight f = friction L = length D = hydraullschor diameter V = fluid velocity g = gravitational constant.

Wlo die angoführto Gleichung zolgt, kann dor Gesamtdruckabfall über das Plenum durch Vergrößern dos hydraulischen Durchmossors herabgesetzt werden. Dies wird erfindungsgemäß für nicht-entlüftete Brenstift- oder Brennstabanordnungen dadurch erreicht, daß die Pienumszone oln abgewinkeltes oder abgesetztes Tell an dor Übergangstelle zur Brennstoffzono aufweist, wobei die Längsachse des geradlinig verlaufenden Abschlußteiles dor Plonumszono gegen die Längsachse der Brennstoffzone vorsetzt Ist.If the given equation follows, the total pressure drop can be about the plenum can be reduced by increasing the hydraulic diameter. This is in accordance with the invention for non-vented pen pin or fuel rod assemblies achieved by that the pienum zone oln angled or offset Tell at the transition point to the fuel zone, the longitudinal axis of the straight end part dor plonumszono against the longitudinal axis of the Fuel zone is in front.

Dadurch wird eine Reduktion des gosamton hydraulIschen Durchmessers für den Kühlmitteldurchfluß erzielt, da dor Kühlmittelfluß zwischen den Brennelementbündeln anstatt zwischen den Plenumsregionen der Brennstäbe erfolgt. Die vorliegende Erfindung verbessert die Kernbrennstabanordnung im Hinblick auf die thermohydraulischen Eigenschaften.This results in a reduction in the gosamton hydraulic diameter achieved for the coolant flow, since the coolant flow between the fuel bundles instead of between the plenary regions of the fuel rods. The present invention improves the nuclear fuel rod assembly in terms of thermal hydraulic properties.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung Ist die Verminderung dor erforderlichen Pumpenlelstung für das Reaktorkernkühlmittel Erfindungsgemäß werdon die (brennstoff-)losen Plonumsreglonen der Brennstäbe in der Anordnung gebündelt, während die Brennstoffzonon der Brennstäbe unterolnandor genügend Abstand aufweisen, um eine ausrelchondo Kühlung zu gewährleisten.Another advantage of the present invention is reduction According to the invention, the pump output required for the reactor core coolant the (fuel-) free plonum rules of the fuel rods are bundled in the arrangement, while the fuel zone of the fuel rods below is sufficiently spaced, to ensure Ausrelchondo cooling.

Vorteillhafterweise wird ein Bündel aus Brennstifton oder Brennstäben gebildet, von denen jeder eine abgesetzte oder abgewinkeite Plenumregion aufweist, wobei die gebündelten Plenumsregionen den hydraulischen Durchmesser für den Kühlmittelfluß und somit dle erforderliche Pumpenloistung für das Kühlmittel erheblich reduzieren.It is advantageous to use a bundle of fuel pins or fuel rods formed, each of which has a stepped or angled plenum region, wherein the bundled plenum regions are the hydraulic diameter for the coolant flow and thus considerably reduce the required pump output for the coolant.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels dor Erfindung beschrieben.Further details, features, and advantages of the invention will become apparent with reference to a graphically illustrated embodiment of the invention described.

Es zeigen:.Show it:.

Flg. 1 die Vorderansicht einer Bronnstoff-Elnheltszello mit zwei Büschein oder Bündeln aus Brennstäben oder -stiften und Flg. 2 eine Seitenansicht eines Ausschnitts der In Flg. 1 dargestellten Brennstoff-Einheitszelle und eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstabanordnung.Flg. 1 the front view of a Bronnstoff-Elnheltszello with two books or bundles of fuel rods or pins and Flg. 2 is a side view a section of the In Flg. 1 and a unit fuel cell shown Embodiment of the fuel rod assembly according to the invention.

Wie oben ausgeführt, betrifft diese Erfindung eine entlüftete oder nlcht-entlüftote Brennstabanordnung, die im wesentlichen dlo erforderliche Pumpenlelstung für das Reaktorkühimittel vormindert und gleichzeitIg genügend Raum zur Unterbringung einer langgestreckten Entlüftungsanordnung oder im Falle eines nichtentlüfteten Bronnstabos genügend Raum für die Aufnahme dos während dos Abbrands dos Brennstoffes entstehenden Spaltgasos aufweist.As stated above, this invention relates to a vented or Non-vented fuel rod arrangement, the essentially dlo required pump output for the reactor coolant and at the same time enough space to accommodate it an elongated venting arrangement or in the case of a non-vented one Bronnstabos enough space for the intake of dos during the burning of the fuel has resulting cracked gas.

Flg. 1 zelgt eine Brennstoff-Einheitszelle 10 elnos Reaktorkerns beispielsweise mit zwot Büschein oder Bündein 11, gobildot aus Brennstiften odor -stAben 12. Bei dieser speziel len Ausführungsform bosteht jedes der Bündel aus sechs Brennstiften 12, wobel der Zwischenraum zwlschen den Bündeln 11 ungefähr zwei bis drei Mal so groß Ist wie der Abstand Brennstift zu Brennstift bei bekannten Brennstoffanordnungen. Diese Anordnung wird durch die erfindungsgemäße, abgesetzte Plenumsanordnung ermöglicht.Flg. 1 shows a unit fuel cell 10 elnos reactor core for example with two books or bundles 11, gobildot made of fuel pens or sticks 12. At In this special embodiment, each of the bundles consists of six fuel pins 12, the space between the bundles 11 wobbling about two to three times as much As large as the distance between fuel pin and fuel pin in known fuel assemblies. This arrangement is made possible by the separate plenum arrangement according to the invention.

Wie Fig. 2 zeigt, weisen die Brennstifte 12 eines Bündels 11 elne spaltbaro Brennstoffzone 13 im unteren Teil und eine Plonumszone 14 für die Aufnahme der Spaltgasprodukte Im oberen Tell auf. Jede Plonumszone 14 besitzt an Ihrem unteren Ende ein abgesetztes oder abgewinkeltos Teil 15. Das Teil 15 Ist derart ausgebildet, daß die Plenumsreglonen 14 jedes Brennstifts oder -stabes unmlttelbar benachbart zueinander angeordnet sind und die Brennstoffzonen 13 in Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Achse der Plonumszone in bezug auf dle Achse der Brennstoffzone elnos Bronnstabes einen bestlmmten Abstand aufweist. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind In Fig. 2 nur drel der sechs Brennstlfte 12 des Bündels 11 dargestellt.As FIG. 2 shows, the fuel pins 12 of a bundle 11 have elne split fuel zone 13 in the lower part and a plonum zone 14 for the intake of the fission gas products in the upper part. Each plonum zone has 14 on your lower one End of a stepped or angled part 15. Part 15 is designed in such a way that that the plenum reglons 14 of each fuel pin or rod are immediately adjacent are arranged to one another and the fuel zones 13 are arranged at a distance from one another with the axis of the plonum zone with respect to the axis of the fuel zone elnos Bronnstabes has a certain distance. For the sake of clarity Only three of the six fuel units 12 of the bundle 11 are shown in FIG.

Erfimdungsgemäß wird eine Reduzierung dos Gosamtdruckabfalls beim Durchsatz dos Kühlmittels durch das Brennstoffbündel auf grund der abgosotzton Anordnung dor Ploenumsregionen dor Brennstäbe erzielt, wolche bei elnor Zusammenfassung In Bündeln 11 eine Vergrößerung dos hydraulischen Durchmessers bewirken. Da für dlo Kühlung der Plonumszonon 14 für die Aufnahme der Spaltgase weit weniger Aufwand erforderlich ist als für die Kühlung der Zonen 13 mit spaltbarem Brennstoff, ist eine Bündelung der Plenumszonen 14 zum Erzielen eines vergrößerten hydraulischen Durchmessers möglich, während die Bronnstoffzonon 14 für eine wirksame Kühlung entsprechenden Abstand untereinander aufweisen.According to the invention, a reduction in the total pressure drop is achieved Throughput of the coolant through the fuel bundle due to the abosotzton arrangement dor ploenum regions dor fuel rods obtained, wolche at elnor summary In Bundles 11 cause an increase in the hydraulic diameter. As for dlo Cooling of the plonum zone 14 for the absorption of the fission gases is far less effort is required than for the cooling of the zones 13 with fissile fuel a bundling of the plenum zones 14 to achieve an enlarged hydraulic Diameter possible, while the Bronnstoffzonon 14 appropriate for effective cooling Have a distance from one another.

Dor Abstand zwischen don Bündeln 11 beträgt aufgrund dor erfindungsgemäßen Brennstiftanordnung ungefähr das Zwei- bis Dreifache des Abstandos Brennstift zu Brennstift bei bekannten Brennstiftbündeln. Auf diese Wolse wird dor Großteil dos Kühlmittelflüsses Im Borolch der Plonumszono zwischen don Bündeln 11 mit unverminderter Geschwindigkeit hin-durchgoleltet, wobei jodoch die Geschwindigkeit in keinem Fall größer als in der Kernzone ist.The distance between the bundles 11 is due to the invention Firing pin spacing approximately two to three times the spacing of the firing pin Firing pin in known firing pin bundles. The majority of this is done on this Wolse Coolant liquid in the Borolch of the Plonumszono between the bundles 11 with undiminished Speed goleltet, whereby iodoch the speed in no case is larger than in the core zone.

Die Längen der abgestzten Teile 15 der Plenumsregionen 14 richten slch nach den Anforderungen dor unterschiedlichen Bronnstoffbündel. Das Toll 15 erstrockt slch Im Bereich von einigen Zentimetern dor Länge dos Brennstifts 12, ohno daß dadurch wesentliche Spannungskräfte oder Materialbelastungen auftreten.Align the lengths of the stepped portions 15 of the plenum regions 14 According to the requirements of the different Bronnstoffbündel. The great 15 dried out in the range of a few centimeters of the length of the firing pin 12, anyway that significant tension forces or material stresses occur as a result.

Die Verbesserung der hydraulischen Wirksamkeit eines Brennstabbündels in einem typischen natriumgekühlten Reaktor zeigt der Vergleich der Wirksamkeit einer Standardausführung olnos Bronnstabes oder Brennstiftes mit dem erfindungsgemäßen Brennstab mit abgesetztem Plonum. Die Kenndaten in diesem spezifischen Bolsplel sind: Länge des Reaktorkerns ^ 76,2 cm (30 Zoll) Blanketlänge 38,10 cm (15 Zoll) Plenumslänge = 121,92 cm (48 Zoll) Gitterabstand/Durchmesser = 1.25 Küklmittelgeschwindigkeit = 9,14 m/sec. (30 feet/sec) Unter dleson Bedingungen wurde dor Druckabfall für die Standardausführung mit 9,702 kp/cm² (138 psi) errechnet, während er für die erfindungsgemäße Ausführung 6,307 kp/cm² (89,7 psi) beträgt.The improvement of the hydraulic efficiency of a fuel bundle in a typical sodium cooled reactor, the comparison shows the effectiveness a standard version of olnos bronze rod or firing pin with the inventive Fuel rod with detached plonum. The identification data in that specific Bolsplel are: length of reactor core ^ 76.2 cm (30 inches) blanket length 38.10 cm (15 inches) Plenum length = 121.92 cm (48 inches) Grid spacing / diameter = 1.25 Coolant speed = 9.14 m / sec. (30 feet / sec) under dleson conditions where the pressure drop for the standard version is 9.702 kp / cm² (138 psi), while for the embodiment of the invention it is 6.307 kgf / cm² (89.7 psi).

Dadurch ergibt slch im Reaktorkern olno Reduzierung dos Druckverlustos um 35 %. Elno Überschlagsrechnung ergibt eine Ersparnis von otwa 5 % in den Brennstoff-Zykluskosten.This results in a reduction in the pressure loss in the reactor core by 35%. Elno rough calculation results in a saving of about 5% in fuel cycle costs.

Die vorliegende Erfindung einer Anordnung von ontiüfteton odor nlcht-ontlüfteten Bronnstiften oder Brennstäben ermöglicht eine Herabsetzung der erforderlichen Pumpenleistung für das Reaktorkühlmittel, wobei der Wlrkungsgrad des gesamten Reaktorbotrlebes erhöht wird, und Ist für flüsslgkeitsgokühite oder gasgekühlte Reaktoren, In denen nlcht-entlüfteto Brennstäbe eingesetzt sind, verwendbar.The present invention of an arrangement of on-air or non-on-air Bronn pins or fuel rods allow the required pump output to be reduced for the reactor coolant, where the degree of effectiveness of the entire reactor vessel is increased, and is for liquid-cooled or gas-cooled reactors, in which Non-ventilated fuel rods are used.

Ansprüche Expectations

Claims

A n s p r ü c h o: 1. Nuclear fuel rod to reduce the total Pressure drop of the reactor core coolant, consisting of a longitudinally expanded fuel zone near the lower end and a longitudinal godthnton Plonumszono for the inclusion of the fission producto near the top of the fuel rod, d a -d u r c h g o k e n n z o 1 c h n o t that dlo pienum zone (14) an angled or offset part (15) on the transition parts to the fuel zone (13), the longitudinal axis dos running in a straight line Final part of the plenum zone (14) against the longitudinal axis of the fuel zone (13) is offset.

2. Nuklearor Bronnstab according to claim 1, dor with a plurality of same fuel rods is connected to a fuel rod bundle, d- a d u r c h g o It is possible that the fuel rods (12) dorart together to form a fuel rod bundle (11) are connected that by the remote parts (15) dle Plonumszono (14) each Fuel rod (12) immediately adjacent and the fuel zones (13) in a corresponding Distance from one another are angoordnot, the plonum zone (14) being enlarged Hydraulic Durchmossor for the coolant flow have a reduction causes the total pressure drop of the coolant as it flows through the Bronn rod bundle, anyway that a reduction in the cooling effect in the fuel zones (13) of the fuel rods (12) joins.

3. fuel rod bundle according to claim 2, d a d u r c h g o -k o n n z e 1 c h n e t that the bundle (11) consists of sochs fuel rods (12).

4. Bronn staff frets! according to claim 2, d a d u r c h g e -k e n nz e 1 c h n e t that when the fuel rod bundle (11) is combined with at least one similar fuel rod bundles (11) to form a unit fuel cell (10), the bundle (11) are arranged to each other that the majority of the coolant flow along the plenum zones (14) between the bundles (11) is passed, while the Speed of the coolant fluid between the individual plenum zones (14) is small, so that a reduction in the Kühimitteldruckabfal les occurs.