DE2332958C2 - Fuel element in which nuclear fuel is arranged in a gas-tight envelope - Google Patents
Fuel element in which nuclear fuel is arranged in a gas-tight envelopeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement, bei dem Kernbrennstoff in einer gasdichten Hülle angeordnet ist und bei dem die Hülle Indikatorgase enthält, die für das betreffende Brennstoffelement charakteristisch sind. Ein derartiges Brennstoffelement ist aus der DE-OS 19 22 592 bekannt.The invention relates to a fuel element in which the nuclear fuel is in a gas-tight envelope is arranged and in which the shell contains indicator gases for the fuel element in question are characteristic. Such a fuel element is known from DE-OS 19 22 592.
Die Markierung von Brennstoffelementen mit unterschiedlichen Indikatorgasen ist bekannt. Die in das Innere eines Kernbrennstoffstabs eingeführten Indikatorgase können solange nicht daraus entweichen, wie die den Kernbrennstoff umgebende Hülle dicht geschlossen ist. Das Auftreten der Indikatorgase außerhalb der den Kernbrennstoff umgebenden Hüllen ist daher ein Anzeichen dafür, daß diese Hüllen undicht sind und gegebenenfalls ersetzt werden müssen. Da sich die Indikatorgase voneinander unterscheiden braucht bei einem Hüllenbruch nur noch die Zusammensetzung des freigesetzten Indikatorgases festgestellt zu werden, um zu wissen, in welchem Brennstoffelement bzw. an welcher Stelle im Kernreaktor der Hüllenbruch aufgetreten ist. Dabei wird die Lokalisierungsgenauigkeit um so größer, je größer die Anzahl der verfügbaren Indikatorgase ist. Bei dem aus der DE-OS 19 22 592 bekannten Brennstoffelementen weisen die Indikatorgase verschiedene Isotopen-Mischungen der Gase Helium, Neon und Argon auf. Auch die Verwendung unterschiedlicher Isotopen-Mischungen der Gase Xenon und Krypton ist in diesem Zusammenhang bekannt.The marking of fuel elements with different indicator gases is known. The ones in the Indicator gases introduced inside a nuclear fuel rod cannot escape from it as long as the envelope surrounding the nuclear fuel is tightly closed. The appearance of the indicator gases outside the envelopes surrounding the nuclear fuel is therefore an indication that these envelopes are leaking and may need to be replaced. Because the indicator gases need to be different from each other in the event of a hull rupture, only the composition of the released indicator gas can be determined, to know in which fuel element or at which point in the nuclear reactor the hull rupture occured. The greater the number of available, the greater the localization accuracy Indicator gases is. In the fuel elements known from DE-OS 19 22 592, the indicator gases have different isotope mixtures of the gases helium, neon and argon. Also the use different isotope mixtures of the gases xenon and krypton are known in this context.
Ein Problem bleibt das Einbringen der Indikatorgase in die den Kernbrennstoff umgebenden Hüllen. Wenn man die Indikatorgase zuvor in eine dichte Kapsel einschließt, die aus einem Material mit niedriger Schmelztemperatur wie beispielsweise Indium besteht, werden die Indikatorgase zwar dann aus diesen Kapseln freigesetzt sobald die Temperatur in dem Kernbrennstoffstab ausreicht um das Material der Kapseln zum Schmelzen zu bringen. Jedoch hat diese Art der Einbringung der Indikatorgase in die Kernbrennstoffs stäbe den Nachteil, daß das die Kapsel bildende Metall, wie Indium, nur eine geringe Fließfestigkeit zeigt und daher die Gefahr besteht daß die Kapsel sich unter der Einwirkung erhöhter Drücke vorzeitig öffnet bevor die umgebende Hülle abgedichtet ist In diesem Falle wies ίο der Kembrennstoffstab nicht die gewünschte Indikator- * gas-Zusammensetzung auf. Außerdem erweist sich das geschmolzene Material der Kapseln, das in den Kernbrennstoff eindringt, als ein für den Betrieb des Atomkernreaktors störendes Element Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement zu entwickeln, bei dem die Gewähr für das Einbringen der Indikatorgase mit großer Sicherheit gegeben ist.The introduction of the indicator gases into the envelopes surrounding the nuclear fuel remains a problem. if the indicator gases are previously enclosed in a tight capsule made of a material with lower Melting temperature such as indium, the indicator gases are then indeed from these capsules released as soon as the temperature in the nuclear fuel rod is sufficient for the material of the capsules to Bring melting. However, this way of introducing the indicator gases into the nuclear fuel would have the disadvantage that the metal forming the capsule, such as indium, shows only a low flow resistance and therefore there is a risk that the capsule opens prematurely under the action of increased pressures before the surrounding envelope is sealed In this case ίο the nuclear fuel rod did not have the desired indicator * gas composition on. In addition, the molten material of the capsules, which is in the Nuclear fuel penetrates as a disruptive element for the operation of the atomic nuclear reactor Therefore, the invention is based on the object of developing a fuel element in which the Guarantee for the introduction of the indicator gases is given with great certainty.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei einem Brennstoffelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Hülle eine gasdichte, die Indikatorgase enthaltende Kapsel einschließt, daß die Kapsel aus einem Material besteht, dessen Schmelzpunkt oberhalb der Betriebstemperatur des Kernbrennstoffs liegt und daß die Kapsel einen Auslaß für die Indikatorgase aufweist, der einen Schmelzverschluß aus einem Material enthält, dessen Schmelzpunkt unterhalb der Betriebstemperatur des Kernbrennstoffs liegtTo solve this problem it is proposed according to the invention that in a fuel element according to the preamble of claim 1, the shell encloses a gas-tight capsule containing the indicator gases, that the capsule is made of a material whose melting point is above the operating temperature of the nuclear fuel and that the capsule has an outlet for the indicator gases, the one Contains fusion seal made of a material whose melting point is below the operating temperature of the Nuclear fuel lies
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffelement wird bewirkt daß die aus nichtschmelzbarem Material bestehenden Kapseln, in denen die Indikatorgase eingeschlossen sind, über einen an diesen angebrachten Auslaß, der durch einen Schmelzverschluß verschlossen ist, die Indikatorgase in das Innere der Kernbrennstoffhüllen hinein austreten läßt wenn der Schmelzverschluß der Kapseln bei einer unterhalb der Betriebstemperatur des Kernbrennstoffs liegenden Temperatur zum Schmelzen kommt.The fuel element according to the invention has the effect that it is made of non-meltable material existing capsules, in which the indicator gases are enclosed, attached to them via a Outlet, which is closed by a fusible link, the indicator gases into the interior of the nuclear fuel cladding can escape into it when the fusible link of the capsules is below the operating temperature the temperature of the nuclear fuel comes to melt.
Vorzugsweise wird der Schmelzverschluß wie im Anspruch 4 gekennzeichnet ausgebildet.The fusible link is preferably designed as characterized in claim 4.
Die Kapseln bestehen bevorzugt aus einem Material, z. B. rostfreiem Stahl, wie es auch für die Hüllen des Kernbrennstoffs verwendet wird. Auch die porösen « Membranen für die Kapseln bestehen aus einem hochschmelzenden Material, und sie weisen beispielsweise eine Porosität in der Größenordnung von 20 Mikron auf.The capsules are preferably made of a material, e.g. B. stainless steel, as is also the case for the covers of the Nuclear fuel is used. The "porous" membranes for the capsules also consist of one refractory material, and they have, for example, a porosity in the order of 20 microns.
Das für die Ansammlung der sich aus dem Kernbrennstoff entwickelnden Spaltgase bestimmte Kammervolumen wird im übrigen durch die Anwesenheit der Kapsel praktisch nicht verkleinert, da das Kapselvolumen für die Spaltgase ebenfalls zur Verfügung steht.This is intended for the accumulation of the fission gases developing from the nuclear fuel The chamber volume is practically not reduced by the presence of the capsule, since the Capsule volume for the fission gases is also available.
Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine im Rahmen der Erfindung verwendbare Kapsel sowie ein mit einer solchen Kapsel ausgestatteter Kernbrennstoffstab dargestellt sind. Dabei zeigt in der ZeichnungFor a further explanation of the invention and its advantages, reference is now made to the drawing taken, in which a preferred embodiment of a capsule usable in the context of the invention and a nuclear fuel rod equipped with such a capsule are shown. It shows in the drawing
F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Kapsel und Fig.2 einen Axialschnitt durch einen mit einer solchen Kapsel ausgerüsteten Kernbrennstoffstab. Die in F i g. 1 dargestellte Kapsel wird aus einem Rohr gezogen, und sie enthält eine Kammer 1, die durch die Wand 3 dieses Rohres und durch einen Schmelzverschluß 2 begrenzt wird. Die Kammer 1 wird je nach derF i g. 1 shows a longitudinal section through the capsule and FIG. 2 shows an axial section through one with a such capsule equipped nuclear fuel rod. The in F i g. 1 shown capsule is from a Pulled tube, and it contains a chamber 1 through the wall 3 of this tube and by a fusible link 2 is limited. The chamber 1 is depending on the
Art ihres Materials entweder durch eine Schweißnaht 4 oder durch einfaches Zusammenquetschen der Wand 3 verschlossen. Sie findet ihre Fortsetzung in einem Rohrabschnitt 5. der sozusagen einen Schwanz für die Kapsel bildet. Der Schmelzverschluß 2 liegt in einer Einschnürung 6, die durch Zusammendrücken der Rohrwand 3 erhalten werden kann. Ein zwischen der Einschnürung 6 und dem oberen Teil 3' der Rohrwand 3 gelegener Raum 7 wird durch eine poröse Membran 8 aus gesintertem rostfreiem Stahl verschlossen; die Membran 6 ist dabei im Rohrabschnitt 3' durch zwei Sicken 9 und 10 festgelegtType of their material either by a weld 4 or by simply squeezing the wall 3 together locked. It finds its continuation in a pipe section 5. the so to speak a tail for the Capsule forms. The fusible link 2 is located in a constriction 6, which by pressing together the Pipe wall 3 can be obtained. One between the constriction 6 and the upper part 3 'of the pipe wall 3 located space 7 is closed by a porous membrane 8 made of sintered stainless steel; the The membrane 6 is fixed in the pipe section 3 'by two beads 9 and 10
Fig.2 zeigt einen Kernbrennstoffstab 11 einer Bauart, die mit der zuvor beschriebenen Kapsel ausgestattet ist, von der insbesondere die Rohrwand 3, die Einschnürung 6 und der Schwanz 5 erkennbar sind. Von dem Kernbrennstoffstab 11 ist weiterhin dessen erste Brennstofftablette 12 dargestellt, die im Inneren der Hülle 13 des Kernbrennstoffstabs 11 auf einem Stützkoltz 14 abgestützt ist, der seinerseits durch ein zylindrisches Abstandsstück 15 gehalten wird, das auf einer Ringschulter 16 an einem kegelstumpfförmigen Sockel 17 Halt findet Der Schwanz 5 der Kapsel ruht auf dem Scheitel 18 des Sockels 17, der seinerseits am Grunde 19 des Kernbrennstoffstabs 11 sitzt. Damit bildet der von der Hülle 13, dem Stützklotz 14 und dem Grunde 19 des Kernbrennstoffstabs 11 umschlossene Raum eine Sammelkammer 20 für sich im Kernbrennstoff entwickelnde Spa ltgase.Fig.2 shows a nuclear fuel rod 11 of a Type that is equipped with the capsule described above, of which in particular the pipe wall 3, the constriction 6 and the tail 5 can be seen. Of the nuclear fuel rod 11 is still the first fuel pellet 12 shown, the inside of the shell 13 of the nuclear fuel rod 11 on a Stützkoltz 14 is supported, which in turn is held by a cylindrical spacer 15 on the an annular shoulder 16 on a frustoconical base 17 is held. The tail 5 of the capsule rests on the apex 18 of the base 17, which in turn sits on the base 19 of the nuclear fuel rod 11. In order to forms that enclosed by the shell 13, the support block 14 and the base 19 of the nuclear fuel rod 11 Space a collection chamber 20 for waste gases developing in the nuclear fuel.
Sobald die Temperatur des Kernbrennstoffstabs U hinreichend angestiegen ist, um den Schmelzverschluß 2 der Kapsel zum Schmelzen zu bringen, werden die im Inneren der Kammer 1 in der Kapsel enthaltenen Indikatorgase frei und treten durch die poröse Membran 8 in die Sammelkammer 20 des Kernbrennstoffstabs aus. Das geschmolzene Material des Schmelzverschlusses 2, das in den Raum 7 eintritt, wird durch die Membran 8 zurückgehalten und kann daher weder mit dem Kernbrennstoff noch mit dem Material der Hülle 13 in Berührung kommen.As soon as the temperature of the nuclear fuel rod U has risen sufficiently to close the fusible link 2 To bring the capsule to melt, are contained inside the chamber 1 in the capsule Indicator gases are released and pass through the porous membrane 8 into the plenum chamber 20 of the nuclear fuel rod the end. The molten material of the fusible link 2 entering the space 7 is through the Membrane 8 retained and can therefore neither with the nuclear fuel nor with the material of the shell 13 come into contact.
Die Kapseln sind so ausgestaltet, daß sie unter konstantem Druck mit einer vorgegebenen Menge an Indikatorgas gefüllt werden können. Beispielsweise köante ihre Herstellung und ihre Füllung nachstehende Phasen umfassen:The capsules are designed so that they are under constant pressure with a predetermined amount of Indicator gas can be filled. For example, how to make and fill them is as follows Phases include:
Formen der Rohform ausgehend von gezogenen Rohren,Forming the raw form based on drawn tubes,
Verschließen eines Endes durch Verschmelzen mit einer Schmelzverbindung aus Zinn oder Blei, Einbringen und Festlegen der porösen Membran, Einführen einer vorgegebenen Menge an Indikatorgas in die Kapsel undClosing one end by fusing it with a fusible link made of tin or lead, Introducing and fixing the porous membrane, introducing a predetermined amount of indicator gas into the capsule and
Abschnüren des Schwanzes durch elektrisches Verschweißen eines Endes.Constricting the tail by electrically welding one end.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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