DE19912824A1

DE19912824A1 - Fuel element used for a nuclear reactor consists of fuel rods filled with pellets of partially splittable material

Info

Publication number: DE19912824A1
Application number: DE19912824A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kreuter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2000-09-28

Abstract

Fuel element consists of fuel rods filled with pellets (1) of partially splittable material and extending longitudinally in the vertical direction. The amount of splittable material in the shell (2) of the pellet is not more than half that in the body (3). Preferred Features: The pellet is a cylinder shape with a thickness of not more than 10% of the diameter of the pellet. The surfaces of the cylinder are concave.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement aus in vertikaler Richtung langgestreckten, mit durch Tabletten aus teilweise spaltbarem Werkstoff gefüllten Brennstäben, für einen Kern reaktor mit einem betriebsmäßig vorgesehen Wechsel des Aggre gatzustandes eines Kühlmittels im Bereich der vertikalen Aus dehnung der Brennstäbe.The invention relates to a fuel element in vertical Elongated, with tablets made up of partially Fissile-filled fuel rods, for a core reactor with an operational change of the aggre state of a coolant in the vertical range elongation of the fuel rods.

Brennelemente für Siedewasserreaktoren geben im Betrieb die in ihnen erzeugte Wärme in ihrem unteren Bereich an Wasser und in ihrem oberen Bereich an Naßdampf ab. Das hat verhält nismäßig komplexe Wärmeübergangsverhältnisse zur Folge. Zur Anpassung an diese Verhältnisse dienen bisher thermohydrau lische Maßnahmen. Aus thermohydraulischen Gründen werden bei spielsweise Brennelemente mit unterschiedlich langen Brenn stäben eingesetzt. Diese Brennelemente haben in ihrem unteren wassergekühlten Bereich einen vergleichsweise hohen und in ihrem oberen dampfgekühlten Bereich einen demgegenüber deut lich reduzierten Druckverlust im Kühlmittel zur Folge.Fuel elements for boiling water reactors give the in operation heat generated in them in their lower area of water and in their upper range of wet steam. That behaved result in complex heat transfer conditions. For Adaptation to these conditions has so far served thermo-gray measures. For thermohydraulic reasons for example fuel elements with different lengths of fuel rods inserted. These fuel elements have in their lower water-cooled area a comparatively high and in in contrast, their upper steam-cooled area indicates reduced pressure loss in the coolant.

Hüllrohre der Brennstäbe sind in ihrem aktiven Bereich mit Brennstofftabletten gefüllt, wobei es unvermeidlich ist, daß Teile der Tabletten-Säule bei fortschreitendem Betrieb die Hüllrohrwand berühren. Selbst bei frischen Brennstäben, deren Tabletten im Idealfall einen geringen, gleichmäßigen Ring spalt zum Hüllrohr frei lassen, ist durch eine Druckfüllung mit Helium üblicherweise die Wärmeleitfähigkeit erhöht, um eine gute Kühlung des Brennstoffs zu erreichen. Helium hat aber eine sehr geringe Speicherkapazität für Wärme. Tempera turänderungen der Tablettenoberfläche werden daher nahezu ohne Verzögerung auf die Hüllrohrwand übertragen und haben eine sehr kleine Brennstoffzeitkonstante zur Folge. Diese niedrige Brennstoffzeitkonstante erschwert noch zusätzlich die Beherrschung der oben skizzierten komplexen Wärmeübertra gungsverhältnisse. Insgesamt betrachtet hat diese niedrige Brennstoffzeitkonstante einen negativen Einfluß auf das Sta bilitätsverhalten des Brennelements.Cladding tubes of the fuel rods are included in their active area Fuel tablets filled, it is inevitable that Parts of the tablet column as operation continues Touch the cladding tube wall. Even with fresh fuel rods, their Ideally, tablets should have a small, even ring Leave gap to the cladding tube is through a pressure filling with helium usually increases the thermal conductivity in order to to achieve good cooling of the fuel. Helium has but a very small storage capacity for heat. Tempera Changes in the surface of the tablets are therefore almost complete transferred to the cladding tube wall without delay and have a very small fuel time constant. This Low fuel time constant makes it even more difficult mastery of the complex heat transfers outlined above conditions. Overall, this has been low Fuel time constant has a negative impact on the Sta balance behavior of the fuel assembly.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Stabili tätsverhalten von Brennelementen der eingangs genannten Art durch Änderung der Brennstoffzeitkonstante zu verbessern.The invention is therefore based on the object, the Stabili behavior of fuel assemblies of the type mentioned by changing the fuel time constant.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anteil spaltbaren Werkstoffs in den die Hüllrohre füllenden Tabletten in deren Haut (Mantel) höchstens halb so groß ist, wie in deren Innerem. Durch diese Art der radial gestaffelten Anreicherung der Tabletten mit spaltbarem Werkstoff ist die Wärmeerzeugung je Volumeneinheit im Inneren der Tabletten höher als in deren Mantel, so daß bei Leistungsänderungen der Wärmeerzeugung Temperaturänderungen im Mantel der Tabletten geringfügig verzögert eintreten, d. h. die Brennstoffzeitkon stante ist durch die erfindungsgemäße Maßnahme vergrößert.This object is achieved in that the Proportion of fissile material in the filling the cladding tubes Tablets in whose skin (coat) is at most half the size, like inside. Through this type of radially staggered Enrichment of the tablets with fissile material is the Heat generation per unit volume inside the tablets higher than in their mantle, so that when the performance changes Heat generation Temperature changes in the jacket of the tablets occur slightly delayed, d. H. the fuel time con constant is increased by the measure according to the invention.

Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung liegt die Anfangsanreicherung spaltbaren Werkstoffs in einer Tablette bei 5 ± 2%, vorzugsweise bei 4,95 ± 0,05%, wobei die Menge spaltbaren Werkstoffs im Inneren jeder Tablette mindestens um so viel erhöht ist, wie die Menge des spaltbaren Werkstoffs in ihrer Haut verringert ist. Dabei ist der Anteil spaltbaren Werkstoffs in der Haut der Tabletten gleich "Null", höchstens jedoch gleich dem in Natururan oder die Haut der Tablette besteht aus Natururan.According to appropriate developments of the invention Initial enrichment of fissile material in one tablet at 5 ± 2%, preferably at 4.95 ± 0.05%, the amount fissile material inside each tablet at least around is increased as much as the amount of fissile material is diminished in their skin. The proportion is fissile Material in the skin of the tablets is "zero", at most however, equal to that in natural uranium or the skin of the tablet consists of natural uranium.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß die Tabletten angenähert einen Zylinder darstellen, daß die Dicke der Haut (d. h. des Zylindermantels) maximal gleich 10% des Tablettendurchmessers ist, daß sich im Bereich der Grundflächen des Zylinders der Werkstoff mit dem höheren An teil an spaltbarem Werkstoff bis in die Haut der Tablette er streckt, daß die Grundflächen des Zylinder konkav sind und/oder daß die Tabletten mit radialem Spiel in ein Hüllrohr des Brennstabes einschiebbar sind.Advantageous embodiments of the invention consist in that the tablets represent approximately a cylinder that the thickness of the skin (i.e. the cylinder jacket) is at most equal 10% of the tablet diameter is that in the range of Base area of the cylinder is the material with the higher type part of fissile material into the skin of the tablet stretches that the base of the cylinder is concave and / or that the tablets with radial play in a casing of the fuel rod can be inserted.

Erfindungsgemäß gestaltete Brennelemente sind sehr vorteil haft, weil sie lediglich durch eine neuartige Verteilung des spaltbaren Werkstoffs innerhalb der Brennstäbe ohne Verände rung der äußeren Gestalt des Brennelements eine deutlich ver größerte Brennstoffzeitkonstante aufweisen und dadurch mit verbessertem Stabilitätsverhalten einsetzbar sind.Fuel elements designed according to the invention are very advantageous imprisoned because it is only through a new distribution of the fissile material within the fuel rods without changes tion of the outer shape of the fuel assembly ver a ver have a larger fuel time constant and therefore with improved stability behavior can be used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in starker Ver größerung einen Längsschnitt durch eine Tablette aus Brenn stoff.Embodiments of the invention are based on a drawing tion explained in more detail. The only figure shows in strong ver Enlargement a longitudinal section through a tablet from Brenn material.

Die dargestellte Tablette 1 hat eine annähernd zylindrische Form mit einem Mantel 2 und einem von diesem eingehüllten Körper 3. Sowohl der Körper 3 als auch der Mantel 2, bestehen aus gesintertem Werkstoff, beispielsweise Uranoxyd. Dabei ist für den Werkstoff des Körpers Material mit mehr als 5% kern technisch spaltbaren Werkstoffs verwendet. Der Mantel 2 be steht dagegen aus einem sinterbaren Oxyd eines nicht spalt baren Materials oder von Natururan, oder aus einem sinterba ren Oxyd aus bei der Gewinnung von spaltbarem Material an fallendem sogenannten abgereicherten Uran.The tablet 1 shown has an approximately cylindrical shape with a casing 2 and a body 3 enveloped by it. Both the body 3 and the jacket 2 are made of sintered material, for example uranium oxide. Material with more than 5% core technically fissile material is used for the material of the body. The jacket 2 , on the other hand, consists of a sinterable oxide of a non-fissile material or of natural uranium, or of a sinterable oxide from when fissile material is produced from falling so-called depleted uranium.

Ein Brennelement mit Brennstäben, die mit erfindungsgemäß aufgebauten Brennstofftabletten gefüllt sind, wird im Betrieb einem Neutronenfluß ausgesetzt. Dadurch wird im Körper 3 der Tabletten 1 eine Vielzahl von Spaltvorgängen ausgelöst und eine entsprechend große Wärmemenge freigesetzt. Dagegen fin den in der Haut (dem Mantel 2) der Tabletten 1 keine oder nur wenige Spaltvorgänge statt, so daß dort kaum Wärmeenergie freigesetzt wird. Die Folge davon ist, daß der Wärmefluß von der Tablette 1 in deren Umgebung verstetigt wird, indem der Mantel 2 als Zwischenspeicher wirkt. Temperaturänderungen des Mantels 2 folgen daher in jedem Fall nur verzögert Leistungs änderungen im Körper 3. Mit erfindungsgemäßen Tabletten 1 be stückte Brennelemente sind daher etwas träger, aber auch sta biler in ihrem Regelverhalten als Brennelemente mit bisher üblichen Pellets (Tabletten).A fuel element with fuel rods which are filled with fuel tablets constructed according to the invention is exposed to a neutron flow during operation. As a result, a large number of splitting processes are triggered in the body 3 of the tablets 1 and a correspondingly large amount of heat is released. In contrast, no or only a few splitting processes take place in the skin (the jacket 2 ) of the tablets 1 , so that there is hardly any thermal energy released. The consequence of this is that the heat flow from the tablet 1 in its surroundings is stabilized by the jacket 2 acting as a buffer. Changes in temperature of the jacket 2 therefore follow changes in performance in the body 3 only in a delayed manner. With tablets 1 according to the invention, fuel assemblies are therefore somewhat sluggish, but also more stable in their control behavior than fuel assemblies with previously common pellets (tablets).

Erfindungsgemäß aufgebaute Tabletten 1 können eine beliebige, beispielsweise auch eine kugelige oder prismatische, Form ha ben, sind dann aber nicht ohne weiteres in Brennstäben zylin drischer Form einsetzbar.Tablets 1 constructed according to the invention can have any shape, for example a spherical or prismatic shape, but are then not readily usable in fuel rods in cylindrical form.

Claims

1.Fuel element from elongated in the vertical direction, filled with tablets ( 1 ) (pellets) made of partially fissile material fuel rods for a nuclear reactor with an operationally intended change in the aggre state of a coolant in the vertical extent of the struts, characterized in that the proportion of fissile material in at least one tablet ( 1 ) in its skin (shell 2 ) is at most half as large as in its interior (body 3 ).

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that an initial enrichment of fissile material in a Ta tablet ( 1 ) is 5 ± 2%, preferably 4.95 ± 0.05%, the amount of fissile material inside ( 3 ) each tablet ( 1 ) is increased by at least as much as the amount of fissile material in its skin (coat 2 ) is reduced.

3. Fuel element according to claim 1 or 2, characterized in that the proportion of fissile material in the skin (casing 2 ) of a tablet ( 1 ) is "zero", but at most is equal to that in natural uranium.

4. Fuel element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the skin (jacket 2 ) of a tablet ( 1 ) is made of natural uranium Herge.

5. Fuel element according to one of claims 1 to 4, characterized in that a tablet ( 1 ) approximately represents a cylinder.

6. The fuel assembly according to claim 5, characterized in that the Thickness of the cylinder jacket is a maximum of 10% of the tablet diameter.

7. Fuel element according to claim 5 or 6, characterized in that the material with the higher proportion of fissile material extends into the skin of the tablet ( 1 ) in the region of the base areas of the cylinder.

8. Fuel element according to one of claims 5 to 7, characterized in that the Base areas of the cylinder are concave.

9. Fuel element according to one of claims 1 to 8, characterized in that the tablets ( 1 ) can be inserted with radial play into a cladding tube of the fuel rod and helium is filled into the cladding tube under pressure.