DE2127240A1

DE2127240A1 - Nuclear reactor fuel rod - of fuel tablets stacked in sheathing tube - with metal lining layer

Info

Publication number: DE2127240A1
Application number: DE19712127240
Authority: DE
Inventors: William Edward Simsbury Conn Abbott (V St A) P
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1970-06-11
Filing date: 1971-06-02
Publication date: 1971-12-16
Also published as: ES392101A1

Abstract

Tablets of nuclear fuel material, esp. in ceramic form, are stcked in a tubular sheath. Between the two is a metal layer, esp. of foil, with smooth surface and perhaps gettering effect on substances which would corrode the sheath, to prevent damage due to relative thermal coeffs of expansion of the tablets and the sheath and to prevent binding between them. With a zirconium alloy sheath, a zirconium foil is used e.g. 0.025 mm (0.001 in) thick.

Description

Brennstab für Kernreaktoren Die Erfindung betrifft die Konstruktion von Brennstäben ru Kernroaktoren, insbesondere zur Verwendung bei heterogenen Druokwassererreaktoren. Fuel rod for nuclear reactors The invention relates to construction of fuel rods ru nuclear reactors, in particular for use in heterogeneous pressure water reactors.

Der Stand der Technik ist Ausführlich in den US-Patentschriften 3.089.830 und 3.100.742 beschrieben. Dort sind die bekannten Brennstäbe dargestellt, bei denen Hillirohre aus rostfreiem Stahl, Zirkonium oder Zirkoniumlegierung oder Aluminiumlegiorung fast völlig mit einem Kernbrennstoff in Poren von Brennstofftabletten mit radialem Spiel gefüllt sind. Zwischen dem oberen Ende der Säule von Erannstofftabletten und dein oberen Ende des HUllrohres besteht ein freier Raum und das Hüllrohr ist aur seiner Länge in Zellen unterteilt, die Jeweils eine bestimmte Anzahl von Brennstofftsbletten enthalten.The prior art is detailed in U.S. Patents 3,089,830 and 3,100,742. There the known fuel rods are shown in which Hill pipes made of stainless steel, zirconium or zirconium alloy or aluminum alloy almost entirely with a nuclear fuel in pores of fuel pellets with radial Game are filled. Between the top of the column of nutritional tablets and there is a free space at the upper end of the cladding tube and the cladding tube is aur its length is divided into cells, each with a certain number of fuel tablets contain.

Bei diesen bekannten Brennstäben tritt als Problem die Reibung oder die Haftung zwischen Teilen der Schule der Brennstofftabletten irnd der benachbarten Innenwand des Hüllrohrs auf. Eine fortlaufende Ausdehnung der Säule bei der Erhitzung zum Betriebszustand äusserte sich, wenn die Brennstofftabletten mit der Wand zum Eingriff kommen, in einer Streckung des Hüllrohres bis Uber die elastische Grenze hinaus. Nach einem wiederholten Wechsel von Erhitzung und Abkühlung kann sich dieser Streckungseffekt als Knick oder Bruch des Brennstabes äussern.In these known fuel rods, friction or occurs as a problem the adhesion between parts of the school of fuel tablets and neighboring ones Inner wall of the Cladding tube. A continuous expansion of the column when heated to the operating state expressed itself when the fuel tablets come with the wall to engage, in an extension of the cladding tube to about the elastic limit beyond. After repeated alternation of heating and cooling This stretching effect can manifest itself as a kink or break in the fuel rod.

Aufgabe der Erindung ist es, die Tendenz zum Strecken oder knicken der Hüllrohre von Brennstäben so klein wie möglich zu machen.The task of the invention is to reduce the tendency to stretch or kink to make the cladding tubes of fuel rods as small as possible.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenn-Stab anzugeben, dessen flullrohr leichter als bisher geladen werden kann.Another object of the invention is to provide a fuel rod, whose filling tube can be loaded more easily than before.

Die Erfindung löst diese Aufgaben bei solchen Brennstäben durch sine Metallschicht zwischen dem Nüllrohr und dem Brennstoff, die eine Relativbewegung zwischen der Säule der Brennstofftabletten und dem Hüllrohr bei verschiedener thermischer Ausdehnung ermöglicht.The invention solves these problems in such fuel rods by sine Metal layer between the Nüllrohr and the fuel, which has a relative movement between the column of fuel pellets and the cladding tube at different thermal Enables expansion.

Der Brennstab nach der vorliegenden erfindung besteht aus dem üblichen Hüllrchr aus rostfreiem Stahl oder einem anderen Material, sher vorzugsweise aus Zirosloy, daß an beiden Enden abgeschlossen ist und eine Säule von Brennetofftabletten enthält. Die Vrbesserung nach der Erfindung besteht in einem Futter des Rohres zwischen der rohrwand und den Erannstofftabletten. las Futter kann die ?orm einesgeschlossenen Zylinders oder einer Folie haben, die der Innenform des Rohres angepasst ist und deren gegenüberliegende Kanten aneinander angrenzen, so dass eine im wesentlichen geschlossene Menbrane zwischen den Brenastofftabletten und dem Hüllrohr geschaffen ist. Die Oberflächen der Folie sind so glatt, dass eine Relativbewogung der Er@nn@tofftabletten und des Höllrohres gagen zie erle@@@te@ wird. Die Folie kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, z. B. aus Beryllium, Titan ober rostfreiem Stahl, aber wird z. Zt.The fuel rod according to the present invention consists of the usual one Shell made of stainless steel or other material, preferably made of Zirosloy that is closed at both ends and a column of fuel tablets contains. The improvement according to the invention consists in lining the pipe between the tube wall and the nutritional tablets. las lining can be the? orm of a closed Cylinder or a film that is adapted to the inner shape of the tube and whose opposite edges adjoin one another, so that one essentially closed Menbrane created between the Brenastofftabletten and the jacket tube is. The surfaces of the film are so smooth that there is a relative movement of the Er @ nn @ tofftabletten and the hell pipe gagen zie er @@@ te @ becomes. The slide can the end any suitable material, e.g. B. from beryllium, titanium or stainless Steel, but is z. Currently

vorzugsweise aus Zirkonium oder Zircaloy hergestellt. Die Folie reduziert die Streckung des Htllirohres auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Brennstofftabletten und des Rohres und erleichtert das laden des Hüllrohres mit den Brennstofftabletten. Ausserdem wirkt die Folie als Getterpumpe, deren Pumpfläche mit Gasen und Dämpfen im Brennstab reagiert, so dass die Möglichkeit der Reaktion dieser GUe oder Dämpfe mit dem Hüllrohr selbst vermindert wird. Ausgerdem würde die Folie mit ßpaltprodukten reagieren, die aus dem Brennstoff herausdifundieren. Bei dieser Getter-Wirkung bietet die Folie ungsfähr die doppelte Oberfläche wie daß HUllrohr selbst und befindet sich ausserdem auf einer höheren Temperatur als das Hüllrohr, so dass die Getter-Wirkung erleichtert und ein Schutz des HUllrohres erzielt wird.preferably made of zirconium or zircaloy. The slide reduces the stretching of the Htllirohres due to the different thermal expansion the fuel pellets and the tube and facilitates the loading of the cladding tube with the fuel tablets. In addition, the film acts as a getter pump, its pumping surface reacts with gases and vapors in the fuel rod, leaving the possibility of reaction this GUe or vapors is reduced with the cladding tube itself. Also would the foil react with fission products that diffuse out of the fuel. With this getter effect, the film offers approximately twice the surface area that shell tube itself and is also at a higher temperature than the cladding tube, so that the getter effect is facilitated and a protection of the cladding tube is achieved.

Aus der BR-PS 790 334 sind auch schon BrennstKbe bekannt, bei denen der metallische Kernbrennstoff von einer Niobium-Schicht umgeben ist. Jedoch wird her diese Schicht entweder auf den Brennstoff aufgepreast, autgespruht oder elelstrolytisch aufgebracht und verhindert eine chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem RUllrohr.From BR-PS 790 334 fuel sticks are already known where the metallic nuclear fuel is surrounded by a layer of niobium. However, will This layer is either sprayed onto the fuel, sprayed on or electrolytically applied applied and prevents a chemical reaction between the fuel and the Barrel.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar: Figur 1: teilweise im Schnitt eine Seitenansicht des Brennstabe flach der vorliegenden Erfindung; :gur 2s die Folie, aus der das Futter hergestellt wird; Figur 3: das Futter und das Hüllrohr in der Montageposition ;nd Figur 4: die Brennstofftabletten in der Position zum Laden des gefütterten Küllrohres Das dargestellte bevorzugte Ausführungabeispiel der Erwindung besteht aus dem Ublichen HUllrohr 10 aus Zirkonium oder vorzugsweise einer Zirkoniumlegierung, wie sie 2:. B.The invention is described with reference to the accompanying drawings. The drawings show: FIG. 1: a side view, partially in section the fuel rod flat of the present invention; : gur 2s the foil from which the Lining is made; Figure 3: the lining and the cladding tube in the assembly position ; nd Figure 4: the fuel pellets in position to load the Lined Küllrohres The illustrated preferred embodiment of the winding consists of the usual shell tube 10 made of zirconium or preferably a zirconium alloy, like them 2 :. B.

im Handel unter dem Warenzeichen Ziroaloy erhältlich ist.is commercially available under the trademark Ziroaloy.

Diese Legierung besteht aus Zirkonium und Zinn und P;i.ei.nen Mengen von Eisen und Chrom und manchmal auch Nickel ein Ausführungabeispiel der Erfindung darstellende Hüllrohr ähnelt denen, die in den heutigen Druckwasserreaktoren und ähnlichen Typen von heterogenen Kernreaktoren verwend@t werden.Es hat eine Länge von ungefähr 3 m und einen Aussendurchmesser zwischen 0,75 biß 1,5 cm. Das Hüllrohr ist mit einem Endabachluss 12 versehen, der am einen Bade gan und druokdicht angeschweisst ist.This alloy consists of zirconium and tin and some quantities iron and chromium and sometimes nickel are an embodiment of the invention The cladding tube is similar to those used in today's pressurized water reactors and Similar types of heterogeneous nuclear reactors can be used. It has a length of about 3 m and an outer diameter between 0.75 to 1.5 cm. The cladding tube is provided with an end closure 12, which is welded to a bath gan and pressure-tight is.

Eine Zirkonium- oder Zircaloy-Folie geeigneter Dicks, z.B.A zirconium or zircaloy sheet of suitable thickness, e.g.

ungefähr 0,025 mm dick, wird auf geeignete Abmessungen zugeschnitten, 80 dass ein im wesentlicher geschlossener Zylinder im Rohr 10 gebildet werden kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die gegenuberlieg<?nder.approximately 0.025mm thick, will be cut to suitable dimensions, 80 that a substantially closed cylinder can be formed in the tube 10. In one embodiment of the invention, the opposite.

Kanten der Folie auf geeignete Weise miteinander verbunde , z. B. duroh Schweissen, nachdem die Folie um die Säule de Brennstofftabletten gewickelt worden ist. Die Enden der Folie können über den Enden der Säule der Brennstofftabletten zusammengefaltet warden und die ganze Sänle sinschliesslich der Folie kann als Einheit in das Hüllrohr eingesetze wer len.Edges of the film connected to one another in a suitable manner, e.g. B. by welding after wrapping the foil around the column of fuel pellets has been. The ends of the foil can be over the ends of the column of fuel pellets Folded up and the whole hall including the foil can be used as a unit inserted into the cladding tube.

Die Folie bietet der Innenseite des HUllrohrs eine glatte Oberfläche, so dass die gesamte Säule praktisch ohne Möglichkeit eines Bruchs der Brennstofftabletten und ck@e die Möglichkeit eines Verklemmens der Tabletten in das @ullrohr geladen werden kann.The film offers the inside of the casing a smooth surface, so that the entire column with virtually no possibility of breakage of the fuel pellets and ck @ e loaded the possibility of the tablets jamming in the @ull tube can be.

Bei einer anderen Auafuhrungsform der Erfindung wird. @@e Folie an ihrem einen Ende im wesentlichen zylin@@i ? @@@l@ und dieses Ende in dat Hüllrohr eingelegt. Die gegenüberliegenden Kanten der Folie werden nicht verbunden, sondern nähern sich einander so dicht wie möglich. Das aufgerollte Ende der Folie wird in das HUllrohr 10 eingesetzt. Dann wird die gesamte Folie 14 in das Hüllrohr geschoben, wobei sie eich automatisch aufrollt und der Innenseite des HUllrohrs anpasst. Die Ecken der Folie an dem Ende, das zuerst in das Rohr 10 eingeführt wird, werden wie bei 16 zur Erleichterung der Einftihrung abgeschnitten. Wie in Figur 4 dargestellt, wird die Folie 14 etwas länger als das Rohr 10 dimensioniert, so dass nachdem das vordere Ende der Folie das hintere Ende des Rohrs 10 erreicht hat, das durch den Abschluss 12 bestimmt wird, ein Teil 18 der Folie aus dem Rohr 10 herausreicht. Wie in Figur 3 dargestellt, wird das Htlllrohr 10 durch den Anschlag 21 an seinem einen Ende und durch die Anschläge 22 an seinen Seiten positioniert. Die teilweise vorgeformte Folie 14 wird in der Veförmigen Wanne 24 gefuhrt, um das Einsetzen in das HUllrohr 10 zu erleichtern.In another embodiment of the invention,. @@ e slide on one end essentially zylin @@ i? @@@ l @ and this end inserted into the duct. The opposite edges of the slide won't connected, but approach each other as closely as possible. The rolled up end the film is inserted into the jacket tube 10. Then the entire foil is 14 in the cladding tube pushed, whereby it automatically rolls up and the inside of the Adapts envelope tube. The corners of the foil at the end that first inserted into the tube 10 will be cut off as at 16 for ease of introduction. As in As shown in FIG. 4, the film 14 is dimensioned somewhat longer than the tube 10, so that after the front end of the film reaches the rear end of the tube 10 has, which is determined by the termination 12, a part 18 of the film from the tube 10 reaches out. As shown in Figure 3, the cover tube 10 is through the stop 21 positioned at one end thereof and by the stops 22 on its sides. The partially preformed film 14 is guided in the V-shaped trough 24, around the Insertion into the casing tube 10 to facilitate.

Nach dem Einsetzen der Folie in das Hüllrohr, wobei der Teil 18 noch herausragt, wird eine Reihe von Brennstofftabletten 26 in der FUhrungswsnne 28 mit dem Hüllrohr fluchtend angeordnet und dann durch den geringrUgig vergrösserten hervorstehenden Teil 18 der Jetzt zylindrischen Folie 14 bis zum Ende des Hüllrohres gegen den Abschluss 12 geschoben. Dadurch wird eine Säule von Brennstofftabletten gebildet, die das Hüilrchr 10 im wesentlichen ganz ausfüllt und die Folie 14 bildet eine Membran zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr. Die Brennstofftabletten, deren zylindrische Aussenfläche sorgfältig geschliffen ist und die aus niedrig angereichertem Urandioxyd bestehen, werden als vollständige Säule statt einzeln in das Rohr geschoben.After inserting the film into the cladding tube, the part 18 still protrudes, a number of fuel tablets 26 in the guide wsnne 28 with arranged in line with the cladding tube and then through the slightly enlarged protruding one Part 18 of the now cylindrical film 14 up to the end of the cladding tube towards the end 12 pushed. This creates a column of fuel pellets that hold the Hüilrchr 10 is essentially completely filled and the film 14 forms a membrane between the fuel pellets and the cladding tube. The fuel tablets, their cylindrical The outer surface is carefully sanded and made from low-enriched uranium dioxide are pushed into the tube as a complete column instead of individually.

Naoh dem Einsetzen der Brennstofftabletten wird der hervor stehende Teil 18 der Folie 14 abgeschnitten.After inserting the fuel pellets, the protruding one becomes Part 18 of the film 14 cut off.

Das offene Ende des geladenen Hüllrohres 10 wird dann durch den Absohluss 30 gas und druckdicht abgeschlossen.The open end of the charged cladding tube 10 is then closed off 30 sealed gas and pressure-tight.

Zwischen dem Abschluss 30 und dem Ende der aus einzeinen Absohnitten 26 zueammengesetzten Säule von Brennstofftablet ton wird der Zwischenraum 32 gelassen, der die unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen den Brennstofftabletten und dem Rohr 10 ermöglicht. Der Raum 32 dient ausserdem als Kammer für das Spaltges und kann, falle erforderltch, eine nicht dargestellte Druckfeder enthalten. Wie eus Figur 1 ersichtlich, ist auf diese Weise ein Hüllrohr 10 hergestellt worden, bei dem ein Futter oder eins metallische Folie die Säule der Brennstofftabletten 28 vom Inneren des Hüllrohrs 10 trannt, dessen Enden durch die Abschlüses 12 und 30 abgedichtes sind. Zur leichteren Darstellung sind die Radialdimensionen und Abstände in Figur 1 vergrössert dargestellt worden. Bei einem Hüllrohr für die heute üblichen Druckwasserreaktoren mit einem Aussendurchmesaer von 0,76 bis 1.O cm besteht ein radialer Abstand von ungefähr 0,11 bis 0.20 @@ zwischen den Brennstofftabletten und der Innenfläche des Hüllrohres. Die Folie 14 ist in diesem Zwischenraum engeordnet und hat an mancken Stellen Kontakt mit der Ionenfläche des Hüllrohres und an anderen Stellen oder den gleichen mit dem Äussaren der Brennstofftahletten.Between the end of 30 and the end of the one-offs 26 combined column of fuel tablets, the space 32 is left, the different thermal expansion between the fuel pellets and the tube 10 allows. The space 32 also serves as a chamber for the Spaltges and can, if necessary, contain a compression spring (not shown). As As can be seen from FIG. 1, a cladding tube 10 has been produced in this way, in which a lining or a metallic foil is the column of fuel tablets 28 from the interior of the cladding tube 10, the ends of which through the closures 12 and 30 are sealed. For ease of illustration are the radial dimensions and distances has been shown enlarged in FIG. With a cladding tube for today's standard Pressurized water reactors with an outside diameter of 0.76 to 1.0 cm exist radial distance of approximately 0.11 to 0.20 @@ between the fuel pellets and the inner surface of the cladding tube. The film 14 is arranged in this space and has contact with the ionic surface of the cladding tube at some points and at others Place or the same with the outward appearance of the fuel dahlettes.

Diese Struktur ergibt sich, gleichgültig ob die Brennstofftablotten zwvor in der Folie vespackt und dann geladen oder zunächst die Folie und anschliessend die Brennstoffe tabletten geladen werden.This structure arises regardless of whether the fuel drains Zwvor packed in the foil and then loaded or first the foil and then the fuel tablets are loaded.

In Jedem Fall besteht nur eine geringfügige Möglichkeit. In either case, there is only a slight possibility.

die keramischen Brennstofftabletten während des Ladens zu zerbrechen oder die Brennstofftabletten im HUllrohr zu verklemmen und damit die Ladeoperation zu unterbrechen.Break the ceramic fuel pellets while charging or to jam the fuel tablets in the casing tube and thus the loading operation to interrupt.

Wegen ihres Herstellungsverfahrens. das üblicherweise ein Kßltwalz-Verfahren ist, sind die Oberflächen der Folie sehr glatt, Sie sind sogar etwas glatter als das Innere des Hüllrohres, so dass die Möglichkeit, dass die Brennstofftabletten sich mit ihren Kanten an der Innenfläche des Hülle rohres verklemmen, reduziert ist und dadurch die Relativbewegung der Brennstofftabletten gegen das Hüllrohr auf Grund thermischer Ausdehnung erleichtert wird. Dies äussert sich in einer Verringerung der Möglichkeit einer Streckung oder eines Knickens des Hüllrohres.Because of their manufacturing process. this is usually a cold rolling process the surfaces of the film are very smooth, they are even slightly smoother than the inside of the cladding tube, leaving the possibility that the fuel pellets get stuck with their edges on the inner surface of the shell tube, reduced is and thereby the relative movement of the fuel pellets against the cladding tube Due to thermal expansion is facilitated. This manifests itself in a reduction the possibility of stretching or kinking the cladding tube.

Unter gewissen Bedingungen kann sich Wasserstoff innerhalb des Brennitabes auf Grund von Feuchtigkeit oder Kohlenwasser.Under certain conditions, hydrogen can move inside the Brennitabes due to moisture or hydrocarbons.

stoff-Verunreinigungen befinden. Der Wasserstoff kann chemisch mit dem Ziroaloy-Hüllrohr reagieren. wobei als Reaktionsprodukt ZrH entsteht, das seinerseits die mechanischen Eigenschaften des Hüllrohrs beeinträchtigt. Die Folie zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr reagiert mit oder "gettert" die Gase oder Dämpfe im Brannstab und verringert auf diese Weise die Möglichkeit einer Reaktion mit dem Hüllrohr selbst. Ausserdem erwartet man, dass die Folie mit den Spaltprodukten selbst reagiert, die aus dem Brennstoff heraus diffundieren und das Hüllrohr vor dieser Reaktion geschützt wird. Im Hinblick auf die Getter-Wirkung wird bemerkt. dass die Folie ungefähr die doppelte Oberfläche wie das Hüllrohr selbst bietet und ausserdem, da sie sich dichter am Brennstoff befindet. eine höhere Temperatur hat, so dass die Reaktionen mit Gasen und Dämpfen innerhalb des Brennstabes vorzugsweise mit der Folie und nicht mit dem kälteren Hüilrohr geschehen.substance impurities are located. The hydrogen can chemically with react to the Ziroaloy cladding tube. whereby ZrH is formed as a reaction product, which in turn the mechanical properties of the cladding tube impaired. The slide between the fuel pellets and the cladding tube reacts with or "gettert" the gases or Vapors in the fuel rod, reducing the possibility of a reaction with the cladding tube itself. In addition, one expects that the film with the fission products itself reacts, which diffuse out of the fuel and the cladding tube in front this reaction is protected. With regard to the getter effect, it is noted. that the film offers approximately twice the surface area of the cladding tube itself and also because it is closer to the fuel. has a higher temperature, so that the reactions with gases and vapors within the fuel rod are preferred with the foil and not with that colder Hüilrohr happen.

Anlagen B P a t e n t a n a p r ü c h e 1 Blatt Zeichnungen mit 4 FigurenAnnex B P a t e n t a n a p r ü c h e 1 sheet of drawings with 4 characters

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Fuel rod for nuclear reactors with a cladding tube to accommodate a column of stacked nuclear fuel tablets, characterized by a metal layer between the cladding tube and the column which a relative movement between the column and the jacket tube with various thermal Enables expansion.

2.) Brennatab according to Claim 1 ,. characterized in that the cylindrical cladding tube contains cylindrical ceramic fuel pellets and that the metal layer prevents the tablets from binding to the tube. 3.) Fuel rod according to claim 1, characterized in that the metal layer as one of the tablets loosely surrounding film is formed 4.) fuel rod according to claim 1, characterized by that the metal layer is tubular.

5.) fuel rod according to claim 1, characterized in that the surface the metal layer is smoother than the inside.

area of the cladding tube and a binding of the tablets to the tube prevented.

6.) fuel rod according to claim 1, characterized in that the metal layer consists of one material. that for substances that are corrosive to the cladding tube, has a getter effect.

7.) Brannstab according to claim 1, characterized in that the Metal layer made of a zirconium foil and the filling tube made of a zirconium layer consists.

8.) Brannstab according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the column of the fuel pellets has an outside diameter of 0.11 up to 0.20 mm (0.0045 to 0.008 inch) smaller than the inner diameter of the cladding tube is that the film is approximately 0.025 mm (0.001 inch) thick and in the space between the Column of the fuel tablets and the cladding tube is arranged.