DE2132867A1 - Nuclear fuel element - Google Patents
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Description
Patentanwälte Dlpl.-lng. R. BEETZ son.Patent attorneys Dlpl.-lng. R. BEETZ son.
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KernbrennstoffelementNuclear fuel element
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennstoffelement mit einem Brennstoffhohlzylinder, der aus in einem Trägermaterial fein verteiltem Spaltstoff besteht und innen wie außen mit je einer koaxialen Schale aus Graphit umgeben ist.The invention relates to a nuclear fuel element with a hollow fuel cylinder, which is made of fine in a carrier material distributed fissile material and inside and outside with one each Coaxial shell made of graphite is surrounded.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Kernbrennstoffelement ist insbesondere für einen Einsatz in Hochtemperafcurkernreaktoren bestimmt, es enthält zu diesem Zwecke seinen Brennstoff, der aus festen Teilchen aus Spaltstoff und insbesondere) aus Oxyden und Karbiden besteht, in feiner Verteilung in einer Tragerraatrix, dieThe nuclear fuel element constructed according to the invention is Specifically intended for use in high-temperature nuclear reactors, for this purpose it contains its fuel, which is made from solid particles of fissile material and in particular) of oxides and carbides, finely distributed in a carrier matrix, which
4io-(B -rf/'-)»}J-DfBk (6)4io- (B -rf / '-) »} J-DfBk (6)
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im allgemeinen aus Kohlenstoff und insbesondere aus Graphit besteht, und während des Betriebes im Kernreaktor befindet sich das Kernbrennstoffelement als Ganzes in einem Kühlgasstrom, insbesondere in einem Heliumstrom, der es in Axialrichtung umströmt und dabei mit seiner inneren und seiner äußeren Schale in Berührung kommt.generally consists of carbon and in particular of graphite, and the nuclear fuel element is in the nuclear reactor during operation as a whole in a cooling gas flow, in particular in a helium flow, which flows around it in the axial direction and thereby with its inner and outer shell comes into contact.
Bei der üblichen Bauweise für solche Kernbrennstoffelemente ist der Brennstoffzylinder von den Oberflächen der ihm gegenüberstehenden Schalen jeweils durch ein ringförmiges Spiel von begrenztem Ausmaß getrennt, und man beobachtet während des Betriebes im Kernreaktor und insbesondere unter dem Einfluß der dort herrschenden Strahlung eine stärkere Zusammenziehung für den Brennstoffzylinder als für die ihn umgebenden Graphitschalen, was zu einer zunehmenden Vergrößerung des anfänglichen Spiels zwischen dem Brennstoffzylinder und der äußeren Schale und umgekehrt einer zunehmenden Verringerung des anfänglichen Spieles zwischen dem Brennstoffzylinder und der inneren Schale führt. Unter diesen Betriebsbedingungen wird dieses letzte Spiel schließlich zu Null und sucht sogar negative Werte anzunehmen, was sich in einem Festfressen des Brennstoffzylinders auf der inneren Schale äußert, durch das diese Schale ebenso wie der Brennstoffzylinder selbst sehr hohen inneren Spannungen ausgesetzt wird. Dies führt zu zwei erheblichen Nachteilen, zum einen besteht die Gefahr, daß der unter Spannung stehende Brennstoffzylinder zerbricht, und zum anderen ergibt sich durch die Vergrößerung des Spieles zwischen dem Brennstoffzylinder und der äußeren Schale einerseits und dem Kontakt zwischen dem Brennstoffzylinder und der inneren Schale andererseits eine stetige Abnahme der Wärmeabgabe nach außen und umgekehrt eine ständige Zunahme des Wärmeflusses nach innen. Die von dem Brennstoff freigesetzte Wärmeleistung fließt also bevorzugt nach dem Inneren des Brennstoffelements und durch die innere Schale ab, die aber die kleinere Oberfläche im Kontakt mit dem Kühlgas aufweist als die äußere Schale, so daß sich insgesamt eine Überhitaung des Spaltstoffs ergibt.In the usual construction for such nuclear fuel elements, the fuel cylinder is from the surfaces of those facing it Shells are each separated by an annular game of limited size, and one observes during operation in the nuclear reactor and especially under the influence of the radiation there, a greater contraction for the fuel cylinder than for the graphite shells surrounding it, which leads to an increasing increase in the initial clearance between the fuel cylinder and the outer shell and, conversely, an increasing reduction in the initial clearance between the fuel cylinder and the inner shell leads. Under these operating conditions, this last game finally becomes zero and even tries to assume negative values, which manifests itself in a seizure of the fuel cylinder on the inner shell, through which this shell as well as the Fuel cylinder itself exposed to very high internal stresses will. This leads to two significant disadvantages, on the one hand there is the risk that the fuel cylinder under tension will break, and on the other hand results from the enlargement of the play between the fuel cylinder and the outer shell on the one hand and the contact between the fuel cylinder and the inner shell, on the other hand, a steady decrease in the heat dissipation to the outside and vice versa, there is a constant increase in the flow of heat inwards. The heat output released by the fuel therefore flows preferentially towards the interior of the fuel element and through the inner shell, but which has the smaller surface in contact with the cooling gas has than the outer shell, so that there is an overall overheating of the fissile material.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kernbrennstoffelement der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß zum einen jegliche Bruchgefahr für den Kernbrennstoffhohlzylinder vermieden bleibt und zum anderen eine gute Wärmeabgabe sowohl nach innen als auch nach außen an den Kühlgasstrom gewährleistet ist.The invention is therefore based on the object of designing a nuclear fuel element of the type mentioned at the outset so that on the one hand, any risk of breakage for the hollow nuclear fuel cylinder remains avoided and, on the other hand, good heat dissipation both after inside and outside of the cooling gas flow is guaranteed.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brennstoffhohlzylinder einen sich über seine gesamte Höhe erstreckenden radialen Schlitz aufweist und unter seiner Eigenelastizität an der Oberfläche einer der beiden ihm gegenüberstehenden Schalen anliegt.The object set is achieved according to the invention in that the hollow fuel cylinder extends over its entire height has radial slot and under its own elasticity on the surface of one of the two shells opposite it is present.
Dank der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kernbrennstoffelements vermag also der Brennstoffzylinder allen betriebsbedingten änderungen in den Abmessungen der inneren oder der äußeren Schale zu folgen, und es können sich im Brennstoffzylinder keine für dessen Formbeständigkeit gefährlichen Spannungen einstellen.Thanks to the inventive design of the nuclear fuel element The fuel cylinder is therefore capable of all operational requirements Changes in the dimensions of the inner or the outer shell follow, and there may be no for any in the fuel cylinder adjust its dimensional stability to dangerous voltages.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht der Brennstoffhohlzylinder mit der Innenseite der äußeren Schale in Berührung, jedoch ist auch die umgekehrte Ausbildung mit Berührung zwischen dem Brennstoffhohlzylinder einerseits und der Außenseite der inneren Schale andererseits im Sinne der Erfindung brauchbar. Für die Breite des radialen Schlitzes im Kernbrennstoffhohlzylinder ist ein Wert zwischen 0,2 und 1 mm bevorzugt.In a preferred embodiment of the invention, the hollow fuel cylinder is in contact with the inside of the outer shell Contact, however, is also the reverse formation with contact between the hollow fuel cylinder on the one hand and the outside the inner shell on the other hand usable for the purposes of the invention. For the width of the radial slot in the hollow nuclear fuel cylinder a value between 0.2 and 1 mm is preferred.
Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement einem Kernbrennstoffelement in bisher üblicher Ausführung gegenübergestellt sind; dabei zeigen in der Zeichnung:For the further explanation of the invention is now to the Reference is made to the drawing, in the two exemplary embodiments for a nuclear fuel element designed according to the invention, a nuclear fuel element are compared in the usual design; show in the drawing:
Fig. 1 einen schematisch gehaltenen Schnitt durch ein Kernbrennstoffelement bisher bekannter Art und 1 shows a schematic section through a nuclear fuel element of a previously known type and
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Fig.2 und 3 entsprechende Schnittdarstellungen für zwei erfindungsgemäß ausgebildete Kernbrennstoffelemente.2 and 3 corresponding sectional views for two according to the invention trained nuclear fuel elements.
Das in Fig. 1 dargestellte Kernbrennstoffelement 1 besitzt einen im Querschnitt kreisförmigen Hohlzylinder 2, der aus einer Dispersion von Spaltstoffteilchen in einer kohlenstoffhaltigen Matrix, also beispielsweise aus einem Oxyd oder einem Karbid des Urans in einer Graphitmatrix besteht. Der Hohlzylinder 2 ist innen wie außen von zwei Schalen 3 bzw. 4 umgeben, die aus Graphit bestehen. Die Kühlung des dargestellten Kernbrennstoffelements wird im Reaktorbetrieb durch den stetigen Umlauf eines geeigneten Kühlgases wie etwa Helium gewährleistet, das entlang der Achse des Brennstoffzylinders einerseits in dem innerhalb der inneren Schale frei bleibenden Raum 5 und andererseits in dem die äußere Schale außen umgebenden Ringraum strömt, der zwischen der Außenseite der äußeren Schale 4 einerseits und einem dazu koaxialen Gefüge ^ frei— bleibt, das zum Aufbau des Kernreaktors selbst gehört.The nuclear fuel element 1 shown in FIG. 1 has a hollow cylinder 2 of circular cross-section, which consists of a dispersion of fissile material particles in a carbon-containing matrix, for example an oxide or a carbide of uranium in a graphite matrix. The hollow cylinder 2 is surrounded inside and outside by two shells 3 and 4, which are made of graphite. The cooling of the nuclear fuel element shown is ensured during reactor operation by the constant circulation of a suitable cooling gas such as helium, which flows along the axis of the fuel cylinder on the one hand in the space 5 that remains free inside the inner shell and on the other hand in the annular space surrounding the outer shell remains between the outer surface of the outer shell 4 of a hand, and a coaxial structure to free-^, which belongs to the structure of the nuclear reactor itself.
In bisher üblicher Anpassung eines solchen Kernbrennstoffelements an einen Einsatz in sogenannten Hochtemperaturreaktoren ist der Hohlzylinder 2 von der inneren und der äußeren Schale 3 bzw. 4 jeweils durch ein ringförmiges Spiel 8 bzw. 9 getrennt. Im Betriebe im Reaktor und insbesondere unter dem Einfluß der dort herrschenden Strahlung, der sowohl der Hohlzylinder 2 als auch die ihn umgebenden Schalen 3 und 4 ausgesetzt sind, ergibt sich eine Zusammenziehung des Hohlzylinders 2, durch die sich das Spiel 9 vergrößert, das Spiel 8 dagegen verringert. Im Grenzfall wird das Spiel 8 zu Null und kann sogar ins Negative umschlagen, wodurch dann der Hohlzylinder 2 fest auf die innere Schale 3 aufgepreßt wird, was dann zu den oben geschilderten Nachteilen führt.In the hitherto customary adaptation of such a nuclear fuel element to use in so-called high-temperature reactors the hollow cylinder 2 is separated from the inner and outer shell 3 and 4, respectively, by an annular clearance 8 and 9, respectively. In operation in the reactor and in particular under the influence of the radiation prevailing there, both the hollow cylinder 2 and the surrounding shells 3 and 4 are exposed, results in a Contraction of the hollow cylinder 2, through which the game 9 increases, while the game 8 is reduced. In the borderline case that will Game 8 to zero and can even turn into negative, whereby the hollow cylinder 2 is then pressed firmly onto the inner shell 3, what then leads to the disadvantages outlined above.
Der in Fig. 2 dargestellte Schnitt zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement, wobei für die Bezeichnung gleicher Bauteile wie in Fig. 1 die gleichen Bezugszahlen verwendet sind.The section shown in FIG. 2 shows a section designed according to the invention Nuclear fuel element, the same reference numerals being used for the designation of the same components as in FIG. 1.
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Auch in Fig. 2 sieht man daher einen Hohlzylinder 2 aus Kernbrennstoff und eine innere Schale 3 sowie eine äußere Schale 4i die diesen Hohlzylinder 2 umgeben. Jedoch ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung lediglich das Spiel 8 zwischen der inneren Schale und dem Hohlzylinder 2 beibehalten, während das Spiel 9 zwischen der äußeren Schale 4 und dem Hohlzylinder 2 vollkommen verschwunden ist. Zu diesem Zwecke ist der Hohlzylinder 2 erfindungsgemäß mit einem radialen Schlitz 10 versehen, der sich über die gesamte Höhe des Hohlzylinders 2 erstreckt und diesem eine gewisse Elastizität verleiht, die eine Einbringung des Hohlzylinders 2 in die äußere Schale 4 in der Weise ermöglicht, daß der Hohlzylinder 2 unter einer gewissen Eigenspannung an der Innenseite der äußeren Schale 4 anliegt und dort auch dauernd festgehalten wird. Der radiale Schlitz 10 ermöglicht nämlich während des Betriebes im Reaktor eine Einschachtelung der Zusammenziehung für den Hohlzylinder 2, und der entstehende V/ärmefluß wird bequemer abgeführt als über die innere Schale 3» da ihm eine weit größere Oberfläche zur Verfügung steht. Die Verteilung der thermischen Spannungen, die sich aus dem Temperaturgradienten im Hohlzylinder 2 mit höherer Temperatur seiner Innenseite im Vergleich zu seiner Außenseite ergibt, fördert die Anlage des Hohlzylinders 2 an der Innenseite der äußeren Schale 4· Da außerdem die im Reaktor herrschende Strahlung die elastischen Eigenschaften von graphithaltigen Materialien geringfügig verbessert, führt sie auch zu einer Verbesserung des ständigen Kontakts zwischen dem Hohlzylinder 2 und der Innenseite der äußeren Schale 4·A hollow cylinder 2 made of nuclear fuel can therefore also be seen in FIG. 2 and an inner shell 3 and an outer shell 4i which surround this hollow cylinder 2. However, in this embodiment the invention only retained the game 8 between the inner shell and the hollow cylinder 2, while the game 9 between the outer shell 4 and the hollow cylinder 2 have completely disappeared is. For this purpose, the hollow cylinder 2 is provided according to the invention with a radial slot 10 which extends over the entire height of the hollow cylinder 2 extends and gives this a certain elasticity that an introduction of the hollow cylinder 2 in the outer Shell 4 in such a way that the hollow cylinder 2 rests under a certain internal stress on the inside of the outer shell 4 and is also held there permanently. Of the This is because radial slot 10 enables the contraction for hollow cylinder 2 to be nested during operation in the reactor, and the resulting heat flow is more conveniently removed than via the inner shell 3 »since it has a much larger surface available stands. The distribution of the thermal stresses resulting from the temperature gradient in the hollow cylinder 2 with a higher temperature on its inside compared to its outside, the abutment of the hollow cylinder 2 on the inside of the outer shell promotes 4 Since the radiation prevailing in the reactor also slightly improves the elastic properties of graphite-containing materials, it also leads to an improvement in the constant contact between the hollow cylinder 2 and the inside of the outer shell 4
In einer zweiten in Fig. 3 dargestellten AusführungsVariante für die Erfindung ist der Aufbau umgekehrt, und der Hohlzylinder aus Spaltstoff steht in diesem Falle in Berührung mit der inneren Schale 3> und das einzige noch vorhandene Spiel ist das Spiel 9 zwischen dem Hohlzylinder 2 und der äußeren Schale 4· Das Prinzip ist für diesen Aufbau das gleiche wie oben, der Hohlzylinder 2 wird mit seinem radialen Schlitz 10 durch seine Eigenelastizität in Anlage an der Außenseite der inneren Schale 3 gehalten.In a second embodiment variant shown in FIG for the invention the structure is reversed, and the hollow cylinder made of fissile material is in contact with the inner one in this case Shell 3> and the only remaining game is game 9 between the hollow cylinder 2 and the outer shell 4 · The principle is the same for this structure as above, the hollow cylinder 2 with its radial slot 10 is due to its inherent elasticity held in contact with the outside of the inner shell 3.
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Unabhängig von der jeweils gewählten Ausführungsform ist bei
der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Kernbrennstoffelements eines
der beiden bisher zwischen dem Brennstoff einerseits und den ihn
umgebenden Schalen andererseits bestehenden Spiele vermieden, was zu einer Verminderung des gesainten Spiels überhaupt führt und damit
einen erheblichen Gewinn für die im Kern des Brennstoffzylinders herrschende Temperatur ergibt.Regardless of the particular embodiment chosen, in the case of the formation of a nuclear fuel element according to the invention, one of the two has so far been between the fuel on the one hand and the fuel on the other
Surrounding shells on the other hand, existing games avoided, which leads to a reduction of the gesainten game at all and thus results in a considerable gain for the temperature prevailing in the core of the fuel cylinder.
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