DE2155518A1

DE2155518A1 - Rod type fuel element - with glass interface between fuel and cladding

Info

Publication number: DE2155518A1
Application number: DE2155518A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Gregorius
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-11-09
Filing date: 1971-11-09
Publication date: 1973-05-17

Abstract

In a rod type fuel element the interspace between the fuel and outer cladding is filled with glass to provide a H2 impervious barrier with voids which, dependant on their size and quantity, limit the fuel swelling rate. Metal oxides and alkali carbonates included in the glass in the fabrication stage gasify to fill the voids and during operation exert a balancing press. to that exerted by gaseous fission prods. The interspace layer lends itself to the inclusion of metal hydrides to act as moderators and also excess reactivity compensators such as B or rare earths such as Gd, and Sm. Thermal conductivity can also the enhanced by Mo, Fe or Ni additives.

Description

Kernreaktorbrennstab Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernreaktorbrennstab, der aus einem beiderseits geschlossenen Hüllrohr und einem darin unter Belassung eines ringförmigen Spaltes eingeschlossenen, vorzugsweise tablettenförmigen und infolge des Abbrandes zum Schwellen neigenden Kernbrennstoff besteht.Nuclear reactor fuel rod The present invention relates to a nuclear reactor fuel rod, the one from a cladding tube closed on both sides and one left in it an annular gap, preferably tablet-shaped and enclosed as a result of the burn-up there is a tendency for nuclear fuel to swell.

Der Kernbrennstoff kann dabei aus einer oxidischen Verbindung von Uran mit äe nach Reaktorart unterschiedlicher Anreicherung bestehen. Insbesondere ist es möglich, daß der Kernbrennstoff in homogener Mischung noch einen Moderatorstoff enthalt, wie z.B. Qrafit oder ein Metallhydrid.The nuclear fuel can consist of an oxidic compound of Uranium exist with different degrees of enrichment depending on the type of reactor. In particular it is possible that the nuclear fuel still has a moderator substance in a homogeneous mixture contains, such as qrafite or a metal hydride.

Da der Kernbrennstoff während des Abbrandes im Reaktorbetrieb eine volumenmäßige Ausdehnung erfährt, also schwillt, wird zwischen dem Kernbrennstoff und dem Hüllrohr ein Spalt zur Aufnahme dieser Volumendehnung belassen. Dieser dient auch zur Av.fnahme der auftretenden Spaltgase, hat aber den großen Nachteil, daß der Kernbrennstoff radial nicht fixiert ist, so daß Beschädigungen der Kernbrennstoffüllung bereits bei der Handhabung der Brennstäbe auftreten können. Bei Brennstäben, deren Kernbrennstoff noch einen wasserstoffhaltigen Moderator enthalt, ergibt sich während des Betriebes noch ein innerer Wass erstoffdissoziationsdruck. Bei hoher Betriebstemperatur würde Wasserstoff durch die Hüllrohrwand hindurehd.iffundiezen oder in derselben zur Mat erialvOrsprödung führen können. Diese Erscheinugen, von denen die erstere mit einem Moderatorverlust, also einer ständigen Verschlechterung des Brennstabesa verbunden ist, müssen vermieten werden. Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, die Innenwand des Hüllrohres mit einem Emailüberzug zu versehen. Aber auch hier verbleibt die Notwendigkeit eines Spaltes zum Kernbrennstoff, der zumindestens in der Anfangsz.ei t eine stellenweise schlechte Wärmeabführung vom Kernbrennstoff verursacht und damit zu verhältnismäßig hohen Brennstofftemperaturen führt, was wiederum mit hohen Wasserstoffdissoziationsdrücken bei Verwendung von Metallhydriden verbunden ist. Nach Ausfüllung des Spaltes durch das Brennstoffschwellen wird der Schwelldruck direkt auf das Hüllrohr übertragen und dieses unter Umständen unzulässig hohen Spannungen ausgesetzt.Since the nuclear fuel during the burn-up in the reactor operation a Volume expansion undergoes, so swells, is between the nuclear fuel and leave a gap in the cladding tube to accommodate this expansion in volume. This serves also to avoid the fission gases occurring, but has the major disadvantage that the nuclear fuel is not fixed radially, so that damage to the nuclear fuel filling can occur during the handling of the fuel rods. For fuel rods whose Nuclear fuel still contains a hydrogen-containing moderator, arises during the company still has an internal hydrogen dissociation pressure. At high operating temperatures hydrogen would diffuse through the cladding tube wall or in the same can lead to material brittleness. These phenomena, the former of which with a loss of moderator, i.e. constant deterioration of the fuel rod connected, must be rented. It has therefore already been suggested to provide the inner wall of the cladding tube with an enamel coating. But here too there remains the need for a gap to the nuclear fuel, which is at least in In the beginning there is poor heat dissipation from the nuclear fuel in places caused and thus leads to relatively high fuel temperatures, which in turn leads to high hydrogen dissociation pressures associated with the use of metal hydrides is. After the gap has been filled by the fuel swell, the swell pressure is set transferred directly to the cladding tube and this under certain circumstances inadmissibly high stresses exposed.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Brennstabkonstruktion zu finden, bei der einmal eine möglichst spannungsfreie Aufnahme des Spaltstoffwachstums gegeben ist und bei der außerdem Beschädigungen des Kernbrennstoffes durch Erschütterungen und Bewegwlgen des Brennstabes ausgeschlossen sind. Weiterhin soll auch die Einwirkung des Wasserstoffs auf das Hüllrohr mit Sicherheit verhindert werden.The task was therefore to find a fuel rod construction, in the case of the once a possible tension-free absorption of the fissile material growth is given is and in addition, damage to the nuclear fuel by vibrations and movement of the fuel rod are excluded. Furthermore, the effect should also of the hydrogen on the cladding tube can be prevented with certainty.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Kernbrennstoff über einen poriger, vorzugsweise wasserstoffundurchlässigen Glasfluß mit dem Hüllrohr verbunden ist.This goal is achieved according to the invention in that the nuclear fuel via a porous, preferably hydrogen-impermeable glass flow with the cladding tube connected is.

Der Porengehalt dieses Glasilusses ermöglicht bei der Betriebstemperatur der Brennstäbe ein Schwellen der Kernbrennstoffüllung, so daß unzulässige Spannungszustände im Hüllrohr selbst vermieden werden.The pore content of this Glasilusses allows at the operating temperature of the fuel rods cause the nuclear fuel filling to swell, so that inadmissible stress states can be avoided in the duct itself.

Durch diesen Glasfluß wird außerdem die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Hüllrohr und dem Kernbrennstoff wesentlich erhöht, so daß auch die Kerirennstofftemperatur sinkt. Dies wiederum reduziert das Ausmaß des Schwellens. Bei einem Kernbrennstoff mit beigemischten Metallhydriden als Moderator reduziert sich damit auch der Wasserstoffdissoziationsdruck, außerdem wirkt das Glas für den Wasserstoff als Diffussionssperre. Diese wirkt nicht nur nach außen, sondern auch innerhalb des Brennstabes, da eine Umlagerung des entstehenden Wasserstoffes nicht mehr über einen freien Gasspalt erfolgen kann. Diese Erscheinung ist insbesondere auch dann gegeben, wenn die einzelnen Kernbrennstofftabletten vollständig, also auch an ihren Stirnseiten, vom Glasfluß umgeben sind.This glass flow also increases the thermal conductivity between the cladding tube and the nuclear fuel increased significantly, so that the fuel temperature sinks. This in turn reduces the amount of swelling. With a nuclear fuel with added metal hydrides as moderators, the hydrogen dissociation pressure is also reduced, In addition, the glass acts as a diffusion barrier for the hydrogen. This doesn't work only to the outside, but also within the fuel rod, as there is a rearrangement of the resulting Hydrogen can no longer take place through a free gas gap. This appearance is particularly the case if the individual nuclear fuel pellets are completely So also on their front sides, are surrounded by the glass flow.

Dieser Fall ist in der beiliegenden Figur dargestellt. Diese zeigt einen Ausschnitt aus einem Kernbrennstab, Das Hüllrohr ist mit 1, die Kernbrennstofftabletten mit 2 bezeichnet.This case is shown in the accompanying figure. This shows a section from a nuclear fuel rod, the cladding tube is with 1, the nuclear fuel pellets are denoted by 2.

Zwischen dem Hüllrohr 1 und dem Kernbrennstoff befindet sich der Glasfluß 3, der mit Poren 4 versehen ist. Größe und Anzahl dieser Poren 4 bestimmen dabei die Grenzen der zulässigen Schwellrate des Kernbrennstoffes. Umgekehrt kann entsprechend dieser Schwellrate das Porenvolumen im Glasfluß 3 entsprechend eingestellt werden.The glass flux is located between the cladding tube 1 and the nuclear fuel 3, which is provided with pores 4. The size and number of these pores 4 determine the limits of the permissible swell rate of the nuclear fuel. Conversely, can accordingly the pore volume in the glass flow 3 can be adjusted accordingly to this swelling rate.

Die Einbringung des Glasflusses in den Kernbrennstab als Verbindung zwischen Kernbrennstoff und Hüllrohr kann unter Verwendung an sich bekannter Methoden der Schaumglasherstellung erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, die Tabletten mit einem Glasfluß zu überziehen und sie dann in das Hüllrohr einzufüllen. Eine nachfplgende Erhitzung des Brennstabes im Vairuum verursacht ein Aufblähen des dann weich gewordenen Glasflusses infolge der in ihm gelöst gewesenen Gase. In diesem Palle wäre der Glasfluß nach den Met-hoden der EmaiDiertechnik auf die Kernbrennstofftabletten auf zubringen Es kann auch ein blankes oder emailliertes Füllrohr mit Glasfluß überzogen werden und beim Erhitzen im Unterdruck aufgebläht werden. Eineandere Möglichkeit wäre, in den ursprünglich vorhandenen Spalt zwischen Kernbrennstofftabletten und Hüllrohr Glaspulver einzubrigen, das gasbildende Stoffe enthält. Als solche wirken beispielsweise Metalloxide und Alkalikarbonate. Bei den entsprechenden Temperaturen bildet sich durch Dissoziation 0O2-Gas, das sich in den Poren des Materials sammelt. Die während des Abbrandes entstehenden Spaltgase erzeugen ebenfalls einen Druck, der versucht die Poren zusammenzudrücken.The introduction of the glass flux into the nuclear fuel rod as a connection between nuclear fuel and cladding tube can be made using methods known per se the production of foam glass. For example, it is possible to take the tablets to cover with a glass flux and then fill it into the cladding tube. One Subsequent heating of the fuel rod in the vacuum causes it to swell softened glass flux as a result of the gases dissolved in it. In this Palle would be the flow of glass according to the methods of the enamelling technique on the nuclear fuel pellets to apply on It can also be a bare or enamelled filling tube covered with glass flux and are inflated when heated under negative pressure. Another possibility would be in the originally existing gap between nuclear fuel pellets and Cladding tube to incorporate glass powder that contains gas-forming substances. Act as such for example metal oxides and alkali carbonates. At the appropriate temperatures OO2 gas is formed through dissociation and collects in the pores of the material. The fission gases produced during the combustion also generate a pressure, trying to squeeze the pores together.

Das für die betreffende Temperatur des Breniistabes geltende Gleichgewicht des Dissoziationsdruckes wird dadurch gestört, d.h. der Dissoziationsvorgang ird so lange rückgängig gemacht, bis der Druck in den Poren, die nunmehr durch den wirkenden Spaltgasdruck kleiner geworden sind, wieder auf seinen ursprünglichen Wert zurückgegangen ist.The equilibrium applicable to the relevant temperature of the breniist rod the dissociation pressure is thereby disturbed, i.e. the dissociation process is stopped so long reversed until the pressure in the pores, which is now acting through the Cracked gas pressure have decreased, returned to its original value is.

Ähnliche Verhältnisse lassen sich erreichen, wenn in den Glasfluß etallhydride eingebettet werden, die in der Lage sind, Wasserstoffgas abzuspalten. Da dieses Gas mit der Hüllrohrwand selbst nicht in Beruhrung kommt, ist eine schädliche Einwirkung nicht zu befürchten.Similar proportions can be achieved if in the glass flow Metal hydrides are embedded that are capable of are hydrogen gas split off. Since this gas does not come into contact with the cladding tube wall itself, a harmful effect is not to be feared.

Nicht unerwähnt soll bleiben, daß es im Palle einer Unverträglichkeit dieses Glasflusses mit dem Kernbrennstoff lediglich notwendig ist, letzteren mit einer dünnen Schutzschicht, z.B. aus A120D, Molybdän , Stahl oder Eisen zu überziehen.It should not go unmentioned that in the case of an intolerance this glass flow with the nuclear fuel is only necessary with the latter a thin protective layer, e.g. made of A120D, molybdenum, steel or iron.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kernbrennstäbe selbst mit abbrennbaren Giften zur Kompensation des Reaktivitätsüberschusses zu versehen. Es ist hierbei schon vorgeschlagen worden, Überzüge aus solchen Materialien auf den Kernbrennstofftabletten anzubringen. Im vorliegenden Falle ist es möglich, solche Stoffe dann in diesen Glasfluß selbst einzubringen. Als abbrennbares Gift können in bekannter Weise Bor, oder Oxide der seltenen Erden, wie Gadolinum Europium, Samarium, Dysprosium verwendet werden.From the prior art it is known to use nuclear fuel rods themselves to provide burnable poisons to compensate for the excess reactivity. It has already been proposed here, coatings made of such materials on the To attach nuclear fuel pellets. In the present case it is possible to do so Then introduce substances into this glass flux itself. Can be used as a burnable poison in a known way boron, or oxides of the rare earths, such as Gadolinum Europium, Samarium, Dysprosium can be used.

Eingangs wurde bereits erwähnt,- daß sich die Wärmeableitung aus den Kernbrennstofftabletten durch diesen verbindenden Glasfluß wesentlich verbessern läßt. Je nach Anwendungszweck der betreffenden Brennstäbe kaml auch diese Pfärmeleitfähigkeit noch besonders eingestellt werden, indem dem Glas Metallpu]ver, wie zum Beispiel Molybdän, Eisen oder Nickel zugesetzt werden.At the beginning it was mentioned - that the heat dissipation from the Substantially improve nuclear fuel pellets through this connecting glass flux leaves. Depending on the intended use of the fuel rods in question, this polar conductivity also occurs can still be specially adjusted by adding metal powder to the glass, such as Molybdenum, iron or nickel can be added.

Brennstäbe dieses Aufbaus sind also zunächst bereits im kalten Zustand gegen Erschütterungen weitgehend geschützt.Fuel rods of this structure are initially already in the cold state largely protected against vibrations.

Im warmen Zustand ist der Glasfluß elastisch oder plastisch und vermindert in Anbetracht seines Porengehalt-es die Wechselbeanspruchung der Hüllrohre bei Temperaturzyklen.In the warm state, the glass flow is elastic or plastic and diminished In view of its pore content - it is the alternating stress on the cladding tubes during temperature cycles.

Diese Hüllrohre werden also mechanisch weitgehend entlastet.These cladding tubes are therefore largely relieved of mechanical stress.

Der Glasfluß bietet weiterhin noch eine zusätzliche Sicherheit für den Ball, daß einmal ein Hüllrohr reißen sollte.The glass flow still offers additional security for the ball that a duct should tear.

Es verhindert dann das Eindringen des Kühlmittels in das Innere der Brenstäbe, sowie ein Austreten der Spaltprodukte.It then prevents the coolant from penetrating into the interior of the Burning rods, as well as leakage of the fission products.

Wie bereits eingangs erwähnt, eignet sich ein derartiger verbindender Glasfluß insbesondere auch fürBrennstäbe, bei denen der Kernbrennstoff mit wasserstoffhaltigen Moderatormaterialien vermischt ist. Solche Brennstäbe werden beispielsweise für kleine Kernreaktoren gebraucht, die zur Energieversorgung von Raumfahrzeugen u.dgl gedacht sind.As already mentioned at the beginning, such a connecting one is suitable Glass flux in particular also for fuel rods, in which the nuclear fuel with hydrogen-containing Moderator materials is mixed. Such fuel rods are for example for Used small nuclear reactors, which are used to power spacecraft and the like are intended.

Hinsichtlich der Auswahl der Glaszusammensetzung wird man es selbstverständlich vermeiden5 Materialien zu verwenden, die unter dem Einfluß der Reaktorstrahlung hochgradig aktivierbar sind, oder einen solchen Neutronenabsorptionsquerschnitt aufweisen, daß dadurch die Reaktivität des Reaktors unerwünscht beeinflußt werden könnte. Da diese Stoffe jedem Reaktorfachmann geläufig sind, ist es nicht notwendig, diese im einzelnen hier näher aufzufXlren. Die Vorteile des porigen Verbindungsmaterials zwischen Kernbrennstoff und Hüllrohr eines Brennstabes bleiben selbst verständlich auch bestehen, wenn die Gefahr einer Wasserstoffbildung und Diffusion nicht besteht. In besonders gelagerten Fällen dieser Art könnte dann auch der porige Glasfluß durch reinen Metallschaum ersetzt werden.With regard to the selection of the glass composition, it becomes a matter of course avoid5 using materials that are under the influence of reactor radiation are highly activatable, or such a neutron absorption cross-section have that this undesirably affects the reactivity of the reactor could. Since these substances are familiar to every reactor specialist, it is not necessary to these are to be listed in more detail here. The advantages of the porous connection material between the nuclear fuel and the cladding tube of a fuel rod remain a matter of course also exist if there is no risk of hydrogen formation and diffusion. In particularly stored cases of this type, the porous glass flow could then also flow through pure metal foam can be replaced.

1 Figur 5 Patentansprüche1 Figure 5 claims

Claims

Claims 1. Nuclear reactor fuel rod, consisting of one on both sides closed cladding tube and one therein, leaving an annular gap enclosed, preferably tablet-shaped and due to the burning to swell Tending nuclear fuel, characterized in that the nuclear fuel has a porous, preferably hydrogen-impermeable glass flux connected to the cladding tube is.

2. Nuclear reactor fuel rod according to claim 1, characterized in that that the pore content and the viscosity of the glass flow are adjusted so that inadmissible Stress states in the cladding tube can be avoided.

3. Nuclear reactor fuel rod according to claims 1 and 2, characterized in that that the glass flux contains metal oxides and alkali carbonates in such a ratio, that between the pressure building up in the pores by dissociation and the fission gas pressure generated during the combustion was in equilibrium forms in such a way that the internal pore pressure is practical as the pore volume becomes smaller remains the same.

4. Nuclear reactor fuel rod according to claims t to 3, characterized in that that for the build-up of temperature-dependent dissociation pressures metal hydrides in Glass flux are included.

5. Kernreaktorbren.nstab according to claims 1 to 4, characterized that the porous glass flux can be broken down by neutron capture, such as poisons Contains boron or oxides of the rare earths gadolinum, europium, samarium, dysprosium.