DE2149078B2

DE2149078B2 - Nuclear reactor component

Info

Publication number: DE2149078B2
Application number: DE2149078A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. 8521 Eltersdorf Gregorius; Martin Dipl.Phys. Dr.Rer.Nat. 8520 Erlangen Peehs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1971-10-01
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2149078A1

Description

Die Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Bauteil, das aus einer allseitigen Hülle Und einer wenigstens teilweisen Füllung aus oxidi-•chem — Spalt- und/oder Brutstoffe enthaltendem —- Kernbrennstoff besteht.The present invention relates to a nuclear reactor component that consists of a shell on all sides And an at least partial filling made of oxidic • chem - nuclear fuel containing fissile and / or breeding material.

Beim Abbrand des Kernbrennstoffes UO₂ werden je Spaltung zwei Sauerstoffatome frei, die nur teilweise von Spaltprodukten abgebunden werden. Dies gilt in ähnlicher Weise auch für andere Kernbrenn-Itoffe, die z. B. Plutonium usw. enthalten. Es muß iaher mit fortschreitendem Abbrand mit einer Stö-Chiometrieerhöhung gerechnet werden, die z.B. in »inern thermischen Fluß von Λθ/U = 2,5 χ 10 ³ pro •/0 Abbrand beträgt. Dieser entstehende Sauerstoff kann nun zu einer Oxidation der den Kernbrennstoff umgebenden Hülle führen und die Funktion des Kernreaktor-Bauteils in Frage stellen. Unter solchen Kernreaktor-Bauteilen sind dabei in erster Linie Kernreaktorbrennstäbe oder Brennelemente zu verstehen, aber auch mit Kernbrennstoff beheizte thermionische Konverterzellen, die in an sich bekannter Weise in geeigneter geometrischer und elektrischer Zusammenschaltung für die direkte Umwandlung der bei Kernspaltung auftretenden Wärme in elektrische Energie Verwendung finden. Solche Konverterzellen bestehen aus einem Emitterkorper, der in seinem Inneren den Kernbrennstoff enthält und in geringem Abstand dazu von der Kollektorelektrode umgeben ist.When the nuclear fuel UO ₂ burns up, two oxygen atoms are released per fission, which are only partially bound by fission products. This applies in a similar way to other nuclear fuel Itoffe, the z. B. Plutonium, etc. contain. A stoechiometric increase must be expected as the burn-up progresses, which is, for example, in internal thermal flow of Λθ / U = 2.5 χ 10 ³ per • / 0 burn-up. This resulting oxygen can lead to an oxidation of the shell surrounding the nuclear fuel and jeopardize the function of the nuclear reactor component. Such nuclear reactor components are primarily to be understood as nuclear reactor fuel rods or fuel assemblies, but also thermionic converter cells heated with nuclear fuel, which are used in a manner known per se in suitable geometric and electrical interconnection for the direct conversion of the heat that occurs during nuclear fission into electrical energy . Such converter cells consist of an emitter body which contains the nuclear fuel in its interior and is surrounded by the collector electrode at a short distance from it.

Bei einem bereits im Erprobungsstadium befindlichen Emitterbrennstoffsystem beträgt der Abbrand etwa 5 Atomprozent. Das Ausgangsverhältnis von Sauerstoff zu Uran etwa 2,0 ± 0,005. Der Anstieg dieses Verhältnisses, also der Stöchiometne, beträgt maximal Δχ = 0,02. Da der Emitterkorper m diesem Falle aus Molybdän besteht und dieses sich wiederum im Kontakt mit dem Kernbrennstoff UO_2-5 befindet wird das Molybdän mit Sauerstoff, der bei der Kernspaltung frei wird, beaufschlagt, was zu einer Oxidation führen kann. Bei der hohen Betriebstemperatur des Molybdäns in der Größenordnung von 1700 bis 1800⁰C werden jedoch solche Oxyde flüssig so daß durch diese Erscheinungen die Funktion des Emitters über die Längere Betriebsdauer gesehen gefährdet erscheint.In the case of an emitter fuel system that is already in the test stage, the burn-up is about 5 atomic percent. The starting ratio of oxygen to uranium is about 2.0 ± 0.005. The increase in this ratio, i.e. the stoichiometric amount, is a maximum of Δχ = 0.02. Since the emitter body in this case consists of molybdenum and this in turn is in contact with the nuclear fuel UO _2-5 , the molybdenum is exposed to oxygen, which is released during nuclear fission, which can lead to oxidation. At the high operating temperature of molybdenum in the order of 1700 to 1800 ⁰ C, however, such oxides become liquid so that the function of the emitter appears to be jeopardized over the longer operating period as a result of these phenomena.

In einem entfernteren Zusammenhang ist schon bekanntgeworden — s. die französische Patentschrift 14 79 289 — eine direkte Berührung zwischen Kernbrennstoff und Zirkon-Hülle durch eine Metallnitridschicht zu verhindern. Diese hat dabei auch die Aufgabe, das Austreten von Sauerstoff aus dem Kernbrennstoff zu unterbinden und kann daher auch als Diffusionssperrschicht bezeichnet werden. Es muß dabei aber mit steigender Betriebszeit mit immer größer werdenden Spannungen im Kernbrennstoff gerechnet werden, die zu Rissen führen und die Nitridschicht unwirksam machen können. Diese Technik bietet daher für längere Betriebszeiten keine ausreichende Sicherheit.It has already become known in a more distant context - see the French patent specification 14 79 289 - a direct contact between nuclear fuel and zirconium shell by a To prevent metal nitride layer. This also has the task of preventing oxygen from escaping to prevent the nuclear fuel and can therefore also be referred to as a diffusion barrier layer. However, as the operating time increases, the tensions in the nuclear fuel keep increasing which can lead to cracks and render the nitride layer ineffective. These Technology therefore does not offer sufficient security for longer operating times.

Es stellte sich daher die Aufgabe, gegen solche Erscheinungen in Brennstäben und Emitterkörpern, ganz allgemein in Kernreaktor-Bauteilen, die einen Kernbrennstoff enthalten. Vorkehrungen zu treffen, deren Funktionstüchtigkeit auch bei möglicherweise auftretenden Spannungen und Rissen gewährleistet bleibt.The task was therefore to counteract such phenomena in fuel rods and emitter bodies, generally in nuclear reactor components that contain a nuclear fuel. To take precautions their functionality is guaranteed even in the event of tensions and cracks remain.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernreaktor-Bauteil dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß zur Unschädlichmachung des beim Abbrand des Kernbrennstoffes freigesetzten Sauerstoffes wenigstens ein Getterkörper innerhalb der Hülle vorzusehen ist. Ein solcher Getterkörper soll beim Beispiel des Emitters aus einem Material größerer Affinität zum Sauerstoff als das Emittermaterial, also beispielsweise aus Tantal odor Zirkon bestehen. Weiterhin müssen Vorkehrungen zur Einstellung der Getterwirkung getroffen werden, damit nicht der Kernbrennstoff selbst durch das Getterm ate rial reduziert wird, sich also ein unterstöchiometrisches Verhältnis von Uran zu Sauerstoff einstellt. In einem solchen Falle könnte nämlich metallisches Uran gebildet werden, das wiederum bei den hier vorliegenden Temperaturen bereits flüssig wäre und zu einer Auflösung des Verbandes des Kernbrennstoffes sowie weiteren unangenehmen Wechselwirkungen mit der Hülle also z. B. dem Emitterkörper führen könnte.In the case of the nuclear reactor component mentioned at the outset, this object is achieved in that according to the invention to at least render the oxygen released during the burn-up of the nuclear fuel harmless a getter body is to be provided within the envelope. Such a getter body is intended in the example of the emitter made of a material with greater affinity for oxygen than the emitter material, for example consist of tantalum or zircon. Furthermore, precautions must be taken to adjust the getter effect be taken so that the nuclear fuel itself is not reduced by the getter material , that is, a sub-stoichiometric ratio of uranium to oxygen is established. In such a Trap could namely be formed metallic uranium, which in turn at the temperatures present here would already be liquid and lead to the dissolution of the nuclear fuel association and others unpleasant interactions with the shell so z. B. could lead to the emitter body.

Am Beispiel eines Emitterkörpers wird gezeigt, wie durch konstruktive Maßnahmen einer solchen unerwünschten Unterstöchiometrie vorgebeugt werden kann. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen Emitterkörper, worin mögliche Anbringungsorte für die Getterkörper durch die Punkte 6 bis 9Using the example of an emitter body, it is shown how such a undesired under-stoichiometry can be prevented. The figure shows a longitudinal section through an emitter body, in which possible locations for the getter bodies are indicated by points 6 to 9

bezeichnet sind. Die eigentliche Emitteroberfläche, die der nicht dargestellten Kollektorelektrode gegenübersteht, ist mitl bezeichnet. Der Emitterkörper hat einen Kern 3 sowie einen ringförmigen Hohlraum 2, in dem sich der Kernbrennstoff z. B. in Tablettenform befindet. Die sich bildenden Spaltgase werden über den Zwischenraum 5 dem Spaltgasabführungskanal 4 zugführt und gelangen von dort in nicht dargestellter Weise zu einem Ventilationssystem, das beispielsweise innerhalb der Kollektorelektroden angeordnet ist. Der Ansatz auf der rechten Seite des Emitterkerns 3 dient zur Zentrierungszwekken, er ist für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich.are designated. The actual emitter surface facing the collector electrode, not shown, is denoted by l. The emitter body has a core 3 and an annular cavity 2, in which the nuclear fuel z. B. is in tablet form. The fission gases that form are fed through the gap 5 to the cracked gas discharge duct 4 and from there pass into Not shown to a ventilation system, for example, within the collector electrodes is arranged. The approach on the right side of the emitter core 3 is used for centering purposes, it is not essential to an understanding of the present invention.

Die GettTkörper 6, 7, 8 und 9 müssen selbstverständlich nicht alle gleichzeitig in einem solchen Emitterkörper untergebracht sein. Es genügen ein oder zwei derartige Körper. Die hier dargestellten Orte zeigen verschiedene grundsätzliche Möglichkeiten zu ihrer Anbringung, jedoch nicht die räumliche ao Gestaltung dieser Getterkörper selbst. Diese bestehen beispielsweise aus Tantal oder Zirkon und können mit einer Diffusionsbarriere gegenüber dem Grundmaterial gekapselt sein. Diese Kapselung kann z.B. aus A1₂O_S bestehen. Sie kann neben dieser Aufgabe einer Diffusionsbarriere auch die Wirkungsgeschwindigkeit für die Aufnahme von Sauerstoff begrenzen. Auf diese Weise kann die Getterwirkun|> auf den Sauerstoffanfall abgestimmt werden. Für die Lage des Getterkörpers 6 könnte dieser Aufbau vorteilhaft sein. Die Getterwirkung ist weiterhin durch die Einstellung des Verhältnisses Volumen zur Oberfläche justierbar. Auch die Einschaltung von Verzögerungsund Diffusionsstrecken, wie z.B. von dürnen Bohrungen zwischen Getter- und Kernbrennstoff kann für diesen Zweck Verwendung finden. Eine solche räumliche Trennung des Getterkörpers vom Sauerstoff enthaltenden Kernbrennstoff ist bei den Getterkörpern mit den Bezugszeichen 8 und 9 gegeben. Der Anbringungsort 7 ist ebenfalls günstig, da hier durch die Masse des Kernbrennstoffs eine Abbremsung der Sauerstoffaufnahme erreicht wird — vorausgesetzt, daß die Abstände zwischen dem Kernbrennstoff Tabletten 10 und dem Emitterkörper 3 sehr klein gehalten werden können.Of course, the GettT bodies 6, 7, 8 and 9 do not all have to be accommodated in such an emitter body at the same time. One or two such bodies will suffice. The locations shown here show various basic possibilities for their attachment, but not the spatial configuration of these getter bodies themselves. These consist, for example, of tantalum or zirconium and can be encapsulated with a diffusion barrier against the base material. This encapsulation can consist of A1 ₂ O _S , for example. In addition to this task of a diffusion barrier, it can also limit the speed of action for the uptake of oxygen. In this way, the getter effect can be matched to the amount of oxygen. This structure could be advantageous for the position of the getter body 6. The getter effect can also be adjusted by setting the ratio of volume to surface. The inclusion of delay and diffusion paths, such as thin bores between getter and nuclear fuel, can also be used for this purpose. Such a spatial separation of the getter body from the oxygen-containing nuclear fuel is given in the case of the getter bodies with the reference numerals 8 and 9. The attachment site 7 is also favorable, since the mass of the nuclear fuel slows down the oxygen uptake - provided that the distances between the nuclear fuel tablets 10 and the emitter body 3 can be kept very small.

Diese verschiedenen hier gezeigten Maßnahmen zur Steuerung der Getterwirkung am Kernbrennstoffeinsatz eines Emitterkörpers können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden. Die Abwandlung derselben für Kernreaktorbrennstäbe bedarf keiner weiteren Erläuterung. Hierfür bieten sich Spaltgassammeiräume und andere kernbrennstofffreie Zonen an, wie sie z.B. bei manchen Konstruktionen in Höhe der Abstandshalterebenen vorgesehen sind.These various measures shown here to control the getter effect on the use of nuclear fuel of an emitter body can of course also be combined with one another. The modification the same for nuclear reactor fuel rods requires no further explanation. For this offer Fission gas collection rooms and other nuclear fuel-free zones, such as those in some constructions are provided at the level of the spacer levels.

Zurückkommend auf das Anwendungsbeispiel eines Emitterkörpers sei noch erwähnt, daß die dort vorgesehene Spaltgasabführung allein nicht genügt, die schädlichen Wirkungen des Sauerstoffs zu verhindern, zumal auch in diesem Spaltgasabführungsleitungen selbst schädliche Oxydationswirkungen ausgelöst werden können, die unbedingt vermieden werden müssen.Coming back to the application example of an emitter body, it should be mentioned that there The intended fission gas evacuation alone is not sufficient to prevent the harmful effects of the oxygen, especially since even in this cracked gas discharge lines harmful oxidation effects are triggered that must be avoided at all costs.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Nuclear reactor component, consisting of an all-round shell and an at least partial Filling of oxidic - containing fissile and / or breeding material - nuclear fuel, thereby characterized in that for rendering harmless when the nuclear fuel burns up released oxygen at least one getter body (6,7,8 or 9) within the Sheath is provided.

2. Nuclear reactor component according to claim 1, characterized in that the getter body consists of a material with greater affinity for oxygen than the shell material.

3. Nuclear reactor fuel according to claim 2, characterized in that as molybdenum Structural material of the getter body consists of tantalum or zirconium.

4. Nuclear reactor component according to claims 1 to 3, characterized in that the getter effect by switching on a delay or Diffusion path between the getter body and nuclear fuel is adjustable.

5. Nuclear reactor component according to claim 4, characterized in that the getter body is housed in a capsule made of a material through which oxygen can diffuse, such as Al ₂ O ₃ .

6. Nuclear reactor component according to claims 1 to 5, characterized in that it consists of the Emitter body (1) of a thermionic converter cell, for example in a thermionic fuel element consists.

7. Nuclear reactor component according to claim 6, characterized in that the getter body (9) is housed in a cracked gas discharge line (4).

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