DE2303876A1 - NUCLEAR FUEL - Google Patents
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Description
25. JAN. 197325 JAN. 1973
WESTIIfGHOUSE . Erlangen,WESTIIfGHOUSE. Gain,
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Pittsburgh, pa., TJSA t- οPittsburgh, pa., TJSA t- ο
Unser zeichen: VPA 72/8454 Mü/AntOur reference: VPA 72/8454 Mü / Ant
KernreaktorbrennstabNuclear reactor fuel rod
Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf einen Kernreaktorbrennstab, der aus einem beiderseits mit Endkappen verschlossenen und unter Vorinnendruck stehenden Hüllrohr mit einer Füllung aus Kernbrennstoff sowie einem darin belassenen Spaltgassammelraum besteht. Solche Brennstäbe befinden sich bei vielen bisher gefertigten Kernreaktoranlagen im Einsatz. Die Brennstoffüllung besteht dabei im allgemeinen aus aneinandergereihten keramischen Tabletten z.B· aus Urandioxyd, wobei das Hüllrohr von Seiten des Kühlmittels einem hohen Druck und hohen Temperaturen ausgesetzt ist* Beispielsweise beträgt bei einem Druckwasserreaktor der Druck über 140 st und die Temperatur über 26o°CThe present invention "relates to a nuclear reactor fuel rod, made of a cladding tube with a filling, which is closed on both sides with end caps and is under internal pressure Nuclear fuel and a fission gas collection space left in it consists. Such fuel rods are in use in many nuclear reactor systems that have been manufactured to date. The fuel fill generally consists of a series of ceramics Tablets, e.g. made of uranium dioxide, with the casing tube from the side of the Coolant is exposed to high pressure and temperatures * For example, in a pressurized water reactor, the Pressure over 140 st and temperature over 26o ° C
Eine Weiterentwicklung der Brennelementherstellung hat neuerdings dazu geführt» den Innenraum der Brennstäbe vor ihrem Einsatz im Kern eines Eeaktors mit einem höheren Druck, dem "Yorinnendruck«, zu versehen, Diese Steigerung des Innendruckes wirkt dem- Außendruck auf das Hüllrohr entgegen und reduziert dadurch sonst, auftretende Spannungen. Diese Verringerung der auf das Hüllrohr einwirkenden Kräfte ermöglicht die Herstellung "/on Brennstäben mit geringer Hüllrohrwanddicke. Dadurch wird der Anteil von neircronenabsorbierendem Material innerhalb des Reaktorkernes wesentlich verringert und die Neutronenökonomie verbessert, wodurch sich auch eine Reduzierung der Reaktorbetriebskosten ergibt.A further development of the fuel element production has recently led to »the interior of the fuel rods before their use in the core of an Eeactor with a higher pressure, the "Internal pressure", to be added, This increase in internal pressure counteracts the external pressure on the cladding tube and reduces it otherwise occurring tensions. This reduction in Forces acting on the cladding tube enable the production of fuel rods with a small cladding tube wall thickness the proportion of neircronenabsorbierendem material within the The reactor core is significantly reduced and the neutron economy is reduced improved, which also results in a reduction in reactor operating costs.
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
-2- VPA 72/8454-2- VPA 72/8454
Während des Abbrandes des Kernbrennstoffes entstehen Spaltgase, die den innendruck in den Brennstäben erhöhen. Sie führen nach einer längeren Abbrandzeit zu einer wesentlichen Erhöhung des Innendruckes, der dann ohne Gegenmaßnahmen zu einem Bersten des Hüllrohrmaterials führen könnte. Es wurde daher schon vorgeschlagen, zuverlässige Brennstäbe mit vorinnendruck herzustellen, bei denen Maßnahmen zur Aufnahme von Spaltgasen während des Abbrandes vorgesehen sind. So wurde z.B. vorgeschlagen, in dem Brennstab gasadsorbierende Mittel einzubauen.Fission gases are produced during the burn-up of the nuclear fuel, which increase the internal pressure in the fuel rods. After a longer burning time they lead to a significant one Increase in the internal pressure which, without countermeasures, could lead to the cladding tube material bursting. It was therefore already proposed reliable fuel rods with pre-internal pressure produce, in which measures are provided for the absorption of fission gases during the burn-up. So became for example, it has been proposed to incorporate gas adsorbing agents in the fuel rod.
Ein anderer Vorschlag bestand darin, eine oder mehrere geschlossene balgartige Hohlkörper im Gassammelraum des Brennstabes unterzubringen, von denen jeder eine im inneren angebrachte Nadel besitzt. Beim Steigen des Gasdruckes werden diese Körper durchstochen und ergeben einen zusätzlichen Raum für das Spaltgas. Diese Maßnahmen bewirken jedoch über die Zeit gesehen, einen sägezahnartigen Verlauf des Druckes, so daß eine zyklische Differentialdruckbelastung auf dem Hüllrohr entsteht» Es ist dabei möglich, daß ein plötzliches Anwachsen des Differentialdruckes zu einer überbsansprushung der Brennstäbe führen kann, da das Hüllrohrmaterial normalerweise einen niedrigen Elastizitätsmodul besitzt,, wie es beispielsweise bei Zircalloy der jail ist, das wegen seines verhältnismäßig niedrigen leutroneneinfangquerschnittes vielfach als Hüllrohrmaterial verwendung gefunden hat.Another suggestion was to have one or more closed Bellows-like hollow bodies in the gas collecting space of the fuel rod each of which has a needle attached inside. When the gas pressure rises, these Pierced body and give an additional space for the cracked gas. However, these measures work over time seen, a sawtooth-like curve of the pressure, so that a cyclical differential pressure load on the cladding tube "It is possible that a sudden increase in the differential pressure leads to an overprushing of the fuel rods can lead, since the cladding tube material normally has a low modulus of elasticity, as for example in Zircalloy the jail is that because of its relatively low neutron capture cross-section is often used as cladding tube material has found use.
Ein anderer Vorschlag zur Begrenzung des Innendruckes bestand darin, am Ende des Brennstabes ein faltenbalgahnlich.es -Teil einzubauen, dessen Innenraum über eine Bohrung in der Endkappe mit der Umgebung des Brennstabes in Verbindung stand. Auf diese Art wird der innendruck während der gesamten Betriebszeit stets gleich dem Außendruck gehalten. Diese faltenbalgähnlichen Teile bestehen aus einem Material mit einem verhältnismäßig hohen . Elastizitätsmodul, damit sie den wechselnden Beanspruchungen hinsichtlich Ausdehnung und Kontraktion standhalten können.Another suggestion for limiting the internal pressure was to use a bellows-like part at the end of the fuel rod to be installed, the interior of which has a hole in the end cap was in connection with the environment of the fuel rod. To this Type is the internal pressure during the entire operating time kept equal to the external pressure. These bellows-like parts consist of a material with a relatively high. Modulus of elasticity so that it can withstand the changing stresses can withstand expansion and contraction.
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- 3 - VPA 72/8454- 3 - VPA 72/8454
Bei dieser Konstruktion besteht jedoch die große Gefahr, daß im Falle des Auftretens eines Fehlers das Kühlmittel in das Innere des Brennstabes eindringen kann und umgekehrt die Spaltgase in das Kühlmittel entweichen können.In this construction, however, there is a great risk that in the event of a fault, the coolant can penetrate into the interior of the fuel rod and vice versa the fission gases can escape into the coolant.
Ein anderer Vorschlag zur verhinderung eines übermäßigen innendruckes bestand darin, im Inneren des Brennstabes Hohlräume vorzusehen, die von einer halbdurchlässigen Membrane abgeschlossen sind. Diese Membranen ermöglichen die Diffusion der Spaltgase in diese abgeschlossenen Räume, wobei diese Diffusionsrate vergleichbar ist mit der Entstehungsrate der Spaltgase während des Abbrandes. Es dürfte jedoch sehr schwierig sein, Membrankonstruktionen zu finden, die in stets reproduzierbarer Weise diese Eigenschaften besitzen.Another suggestion to prevent excessive internal pressure consisted in providing cavities inside the fuel rod, which were closed by a semi-permeable membrane are. These membranes allow the fission gases to diffuse into these closed spaces, with this diffusion rate is comparable with the rate of formation of fission gases during the combustion. However, it should be very difficult be to find membrane constructions that always have these properties in a reproducible manner.
Es stelle sich daher die Aufgabe, nach einer weiteren Konstruktion zu suchen, mit der die geschilderten Nachteile auf möglichst einfache Art und Weise vermieden werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den spaltgassammelraum des Brennstabes wenigstens eine unter erhöhtem Innendruck zusammendrückbare längliche metallische Kapsel vorgesehen ist. Diese ist vorzugsweise an ihrem einen Ende mit einer leichten Einbeulung versehen, so daß ein über-, mäßiger innendruck dort beginnt diese Kapsel zusammenzudrücken und damit mehr Raum für die im Brennstab erzeugten Spaltgase zu schaffen. Die Kapselwanddicke wird dabei unter Umständen in Verbindung mit einem entsprechenden vorinnendruck in dieser Kapsel so gewählt, daß der Zusammendrückvorgang mit zunehmendem Innendruck unter ständiger Vergrößerung des effektiven Spaltgassammelraumes fortschreitet und somit keine plötzlichen Druckänderungen innerhalb des Brennstabes möglich sind. Dieser Vorinnendruck innerhalb der Kapsel ist selbstverständlich geringer, als innerhalb des Brennstabes selbst. Die leichte Einbeulung an einem Ende der Kapsel erleichtert den Beginn einer vergrößerung derselben und ermöglicht so ein langsames Fortschreiten der Zusammendrückung entsprechend dem zunehmenden Freiwerden von Spaltgasen aus dem Kernbrennstoff.It is therefore the task of a further construction to look for, with which the disadvantages described can be avoided in the simplest possible way. These The object is achieved according to the invention that in the cracked gas collecting space of the fuel rod at least one under increased Internal pressure compressible elongated metallic capsule is provided. This is preferably at one end with provided with a slight indentation, so that excessive internal pressure there begins to compress this capsule and thus to create more space for the fission gases generated in the fuel rod. The capsule wall thickness may be in connection with a corresponding internal pressure in this capsule chosen so that the compression process with increasing Internal pressure with constant enlargement of the effective fission gas collecting space progresses and thus no sudden pressure changes are possible within the fuel rod. This internal pressure inside the capsule is of course lower, than inside the fuel rod itself. The slight indentation at one end of the capsule makes it easier to start enlarging the same and thus enables the compression to progress slowly corresponding to the increasing release of fission gases from the nuclear fuel.
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Zur "besseren Erläuterung dieser Erfindung "wird auf die pig. 1 bis 5 Bezug genommen, die ein mögliches Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes zeigen.For a "better explanation of this invention" reference is made to pig. 1 to 5, which show a possible embodiment of the subject matter of the invention.
pig. 1 ist ein Längsschnitt durch den oberen Teil eines Brennstabes, in dem der Gegenstand der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.pig. 1 is a longitudinal section through the upper part of a fuel rod, in which the subject matter of the present invention is incorporated.
pig. 2 zeigt eine zusammendrückbar Kapsel, wie sie im Spaltgassammelraum des Brennstabes nach pig. 1 eingesetzt ist.pig. Figure 2 shows a compressible capsule as it is in the fission gas collection space of the fuel rod after pig. 1 is used.
pig. 3 zeigt eine derartige Kapsel nach pig. 2, nachdem der Zusammendrückvorgang durch einen inneren Druck im Brennstab nach Pig. 1 eingesetzt hat undpig. 3 shows such a capsule according to pig. 2, after the compression process by an internal pressure in the fuel rod after Pig. 1 has used and
pig.. 4 zeigt eine derartige zusammendrückbare Kapsel gemäß pig, 3 im Endstadium, also im völlig zusammengedrückten zustand. pig .. 4 shows such a compressible capsule according to pig, 3 in the final stage, that is, in the completely compressed state.
Die pig. 1 zeigt einen Brennstab 1o> der entsprechend dieser Erfindung aufgebaut ist. Er besteht aus einem Hüllrohr 26, das an beiden Enden durch einen Endstopfen 28 hermetisch verschlossen ist, beispielsweise durch Schweißen. Der Brennstab To hat eine brennstofffreie zone oder einen Gassammeiraum 12, der normalerweise oberhalb der Brennstofftabletten 24 angeordnet ist. Die Brennstofftabletten 24 sind in einer Säule angeordnet, die sich zwischen dem Endstopfen 28 und dem Gassammeiraum erstreckt. Das Hüllrohr besteht dabei aus einer zirkoniumlegierung. Innerhalb des Spaltgassammelraumes 12 ist eine zusammendrückbare Kapsel 14 aus einer dünnwandigen an beiden Enden eingebördelten und dicht verschlossenen Röhre, z.B· aus 304 rostfreiem Stahl angeordnet, sie kann beispielsweise entweder durch die Rückhaltefeder 2o für die Tabletten 24 gehalten werden oder mit dem oberen Endstopfen 18 verbunden sein.The pig. 1 shows a fuel rod 10 constructed in accordance with this invention. It consists of a cladding tube 26, which is hermetically sealed at both ends by an end plug 28, for example by welding. The fuel rod To has a fuel-free zone or a gas collection space 12, the normally located above the fuel pellets 24 is. The fuel pellets 24 are arranged in a column which extends between the end plug 28 and the gas collection space. The cladding tube consists of a zirconium alloy. Within the fission gas collection space 12 is a compressible Capsule 14 from a thin-walled on both Ends of crimped and tightly closed tube, e.g. from 304 stainless steel, for example, it can be either be held by the retaining spring 2o for the tablets 24 or connected to the upper end plug 18.
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Diese zusammendrückbar Kapsel soll langsam zusammengedrückt werden, entsprechend dem Freiwerden des den Innendruck des Brennstabes erhöhenden Spaltgases und dadurch den innendruck nahezu konstant halten.This compressible capsule is designed to be squeezed slowly corresponding to the release of the fission gas which increases the internal pressure of the fuel rod and thereby the internal pressure keep almost constant.
Die Pig. 2 zeigt diese zusammendrückbare Kapsel allein mit der an einem Ende ausgebildeten leichten für die Auslösung des Eindrückvorganges vorgesehenen Eindrückung 16. Durch diese Formgebung ist im Kapselmaterial sozusagen der Weg für ein weiteres Fortschreiten des zusammendrückens vorgezeichnet. Selbstverständlich könnte die Kapsel auch andere Abmessungen haben und auch andere Endverschlüsse. Auch könnte die Eindrückung 16 an anderen Stellen zwischen den beiden Kapselenden angeordnet sein. .The Pig. Figure 2 shows this collapsible capsule alone with the easy release formed at one end the indentation 16 provided for the indentation process. This shaping is, so to speak, the way for an in the capsule material further progression of the compression mapped out. Of course, the capsule could also have other dimensions and also other end closures. The indentation 16 could also be at other locations between the two ends of the capsule be arranged. .
Wenn nun der Brennstabinnendruck in die Größe des anfänglichen notwendigen Einbeuldruckes kommt, beginnt dieser Vorgang, wie in Fig. 3, dargestellt. Dadurch erniedrigt sich der Innendruck des Brenn3tabes in geringfügiger Weise um 3,5 - 7 at. Sobald wieder mehr Spaltgase im Brennstab erzeugt werden, wird der Druck wieder ansteigen, bis er wieder dem Einbeuldruck der Kapsel 14 entspricht. Der Brennstabdruck wird dann praktisch auf einer konstanten Höhe gehalten, weil die Einbeulung sofort weiterläuft, wenn mehr Spaltgase frei werden. Dieser Vorgang läuft solange, bis die Kapsel entsprechend Fig. 4 ganz zusammengedrückt ist. Aus dieser Beschreibung ist es jedem Fachmann klar, daß der Einbeuldruck der Kapsel 14 in wünschenswerter Weise eingestellt werden kann, so daß für jede- spezielle Brennstabkonstruktion ein geeignetes Material für das Kapselrohr, eine entsprechende Wanddicke, Länge oder Vorinnendruck gewählt werden kann.If the internal fuel rod pressure is now in the size of the initial necessary indentation pressure comes, this process begins how in Fig. 3, shown. This lowers the internal pressure of the fuel rod slightly by 3.5 - 7 at. As soon as more fission gases are generated in the fuel rod, the Increase the pressure again until it corresponds to the indentation pressure of the capsule 14 again. The fuel rod pressure then becomes practical kept at a constant level because the indentation continues immediately when more fission gases are released. This process runs until the capsule is completely compressed as shown in FIG. From this description it is any person skilled in the art Clearly, the indentation pressure of the capsule 14 can be desirably adjusted so that for any particular Fuel rod construction a suitable material for the capsule tube, a corresponding wall thickness, length or internal pressure can be chosen.
Nach dieser Erfindung wird also ein im wesentlichen konstanter Druck innerhalb eines Brennstabes mit yorinnendruck durch Verwendung einer eindrückbaren Kapsel aufrechterhalten, die langsam in dem Maße eingebeult wird, als der innendruck des BrennstabesThus, according to this invention, a substantially constant pressure within a fuel rod is provided with internal pressure by using a crushable capsule that is slowly dented as the internal pressure of the fuel rod
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durch die Spaltgase ein bestimmtes Maß zu überschreiten sucht. Die besonderen Vorteile dieser zusammendrückbaren Kapsel liegen neben dieser Eigenschaft darin, einen im wesentlichen konstanten Druck aufrechtzuerhalten, in den geringen Herstellungskosten und in der Vermeidung einer zyklischen Differentialdruckbelastung des Hüllrohres, die zu einer Beschädigung desselben führen könnte.to exceed a certain level by the fission gases seeks. The particular advantages of this compressible capsule, in addition to this property, are essentially one to maintain constant pressure, in the low manufacturing costs and in the avoidance of a cyclical Differential pressure loading of the cladding tube, which could lead to damage of the same.
Das benötigte Spaltgasvolumen kann bei Verwendung derartiger Kapseln verkleinert werden, da kein zusätzliches Volumen für Hilfsmittel zur unterdrückung eines Überdruckes, wie sie nach dem Stande der Technik vorgesehen sind, benötigt werden» Übertemperatüren während des Reaktorbetriebes, die auch Druckspitzen verursachen, verursachen nur eine kleine Druckreduzierung innerhalb des Spaltgassammeiraumes, wenn derartige Kapseln verwendet werden. Bei Verwendung früherer Vorschläge würde eine derartige Spitze nach ihrem Rückgang einen viel niedrigeren Druck innerhalb des Sammelraumes hervorrufen. Normalerweise wird nur eine Kapsel je Brennstab notwendig sein und damit auch die Brennstabkosten gegenüber früheren Vorschlägen verringern.The required gap gas volume can when using such Capsules are made smaller because there is no additional volume for aids to suppress excess pressure, as they are after state-of-the-art technology, »excess temperatures are required during reactor operation, which also cause pressure peaks, only cause a small pressure reduction within the cracked gas collection space when such capsules are used. Using previous suggestions such a peak would create a much lower pressure within the plenum after it has receded. Usually only one capsule per fuel rod is necessary and thus also reduce the fuel rod costs compared to previous proposals.
Zusammenfassend ermöglicht diese Erfindung bei gleichbleibender Brennstabkonstruktion einen praktisch konstanten Druck .während der Betriebszeit. Die Einfachheit der Konstruktion ergibt niedrige Herstellungskosten und große zuverlässigkeit, der Spaltgassammelraum kann gegenüber manchen früheren Konstruktionen und vorschlagen kleiner gehalten werden.In summary, this invention enables a practically constant pressure with the same fuel rod construction .during the operating time. The simplicity of the construction results in low manufacturing costs and great reliability, the fission gas collection space can be compared to some earlier designs and suggest to be kept smaller.
5 Patentansprüche
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