DE2511054C2

DE2511054C2 - Nuclear fuel rod for nuclear reactors

Info

Publication number: DE2511054C2
Application number: DE2511054A
Authority: DE
Inventors: George Charles Lakefield Ontario Hatton; William John Peterborough Ontario Penn; Walter Renald Cavan Ontario Tarasuk
Original assignee: Canadian General Electric Co Ltd
Current assignee: General Electric Canada Co
Priority date: 1974-03-13
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1982-08-26
Also published as: FR2264365B1; SE7502055L; DE2511054A1; SE402832B; FR2264365A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernbrennstoffstab für Kernreaktoren, mit einer dünnwandigen, nicht selbsttragenden zylindrischen metallischen Umhüllung, die durch einen dem Betriebsdruck im Kernreaktor entsprechenden äußeren Überdruck gegen die Außenflächen einer Anzahl von eng aneinander anliegenden zylindrischen Brennstofftabletten aus nicht angereichertem Urandioxid anpreßbar ist, und wobei an der Mehrzahl der Zwischenflächen zwischen den aneinander anliegenden Brennstofftabletten an einer der beiden Stirnflächen eine Ausnehmung ausgebildet ist.The invention relates to a nuclear fuel rod for nuclear reactors, with a thin-walled, non-self-supporting cylindrical metallic casing, which is provided by a pressure equivalent to the operating pressure in the nuclear reactor external positive pressure against the outer surfaces of a number of closely fitting cylindrical Fuel tablets made of non-enriched uranium dioxide can be pressed, and with the majority of the Intermediate surfaces between the fuel tablets resting against one another on one of the two end faces a recess is formed.

Bei den hohen Betriebstemperaturen beim Reaktorbetrieb tritt eine verhältnismäßig starke thermische Ausdehnung der Brennstoffstäbe in Längsrichtung auf. Weil sich die axiale Ausdehnung der metallischen Umhüllung von derjenigen der Brennstofftabletten unterscheidet, können durch die axiale Ausdehnung der Brennstofftabletten derart hohe axiale Kräfte auf die Umhüllung ausgeübt werden, daß eine Rißbildung in Umfangsrichtung der Umhüllung verursacht wird. Zum Zwecke der Kompensation der unterschiedlichen axialen Ausdehnung besteht die Möglichkeit, zwischen den aneinander anliegenden Brennstofftabletten an einer der beiden Stirnflächen eine Ausnehmung vorzusehen (GB-PS 9 58 697). Auf diese Weise können axiale Ausdehnungen aufgenommen werden, die sonst zu Rißbildungen in Umfangsrichtung der Umhüllung führen könnten.At the high operating temperatures during reactor operation, there is a relatively strong thermal effect Expansion of the fuel rods in the longitudinal direction. Because the axial expansion of the metallic Enclosure differs from that of the fuel pellets can be achieved by the axial extent of the Fuel pellets so high axial forces are exerted on the envelope that cracks form in Circumferential direction of the envelope is caused. For the purpose of compensating for the different axial expansion there is the possibility of between the adjacent fuel pellets one of the two end faces to provide a recess (GB-PS 9 58 697). That way you can axial expansions are absorbed, which would otherwise lead to the formation of cracks in the circumferential direction of the envelope could lead.

Es ist ferner bereits bekannt, Graphit als Zwischenschicht in Brennstoffelementen zu verwenden (DE-Gm 19 10 613). Derartige Schmiermittelschichten können insbesondere in Siedewasserreaktoren Verwendung finden, die selbsttragende Umhüllungen aufweisen (US-PS 31 19 747). Aufgrund des Neutronenhaushalts ist es aber bei Natururanreaktoren der eingangs genannten Art wie Candu (Canadian deuterium natural uranium)-Reaktoren wünschenswert, dünnere Umhüllungen zu verwenden, was auch für die Verwendung von sonstigen zusätzlichen Materialien gilt, die den Neutronenhaushalt beeinträchtigen.It is also already known to use graphite as an intermediate layer to be used in fuel elements (DE-Gm 19 10 613). Such lubricant layers can find use in particular in boiling water reactors that have self-supporting casings (U.S. Patent 3,119,747). Due to the neutron balance, however, it is the one mentioned at the beginning for natural uranium reactors Kind like Candu (Canadian deuterium natural uranium) reactors desirable to have thinner claddings use, which also applies to the use of other additional materials that support the neutron balance affect.

Bei Brennstoffstäben mit verhältnismäßg dünnwandigen Umhüllungen ist zur Vermeidung derartiger Rißbildungen ferner der Vorschlag bekannt (DE-Gm 18 71 684), an den Außenflächen der Brennstofftabletten achsparallele und/oder ringförmige Einkerbungen auszubilden und das Hüllrohr in Anlage mit den Einkerbungen zu bringen, um entsprechende Einkerbungen auf der Oberfläche des Hüllrohrs zu bilden.In the case of fuel rods with relatively thin-walled sheaths, this is to be avoided Crack formations also known from the proposal (DE-Gm 18 71 684), on the outer surfaces of the fuel tablets to form axially parallel and / or annular notches and the cladding tube in contact with the Bring notches to form corresponding notches on the surface of the cladding tube.

Dabei wird als nachteilig angesehen, daß nur die axiale Brennstoffausdehnung aufgenommen werden kann, aber Rißbildungen in Längsrichtung eines Kernbrennstoffstabs mit einer zylindrischen Umhüllung nicht vermieden werden können.It is considered a disadvantage that only the axial Fuel expansion can be accommodated, but cracking in the longitudinal direction of a nuclear fuel rod with a cylindrical envelope cannot be avoided.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kernbrennstoffstab der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß das Auftreten von in Längsrichtung des Kernbrennstoffstaos verlaufenden Rißbildungen in der Umhüllung möglichst weitgehend vermieden wird.It is therefore the object of the invention to provide a nuclear fuel rod of the type mentioned at the beginning to improve that the occurrence of in the longitudinal direction of the nuclear fuel congestion extending cracks in the envelope is avoided as far as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kernbrennstoffstab der eingangs genannten Art mit einer dünnwandigen zylindrischen Umhüllung dadurch gelöst, daß zum Zwecke der Vermeidung von in Längsrichtung verlaufenden Rissen in der Umhüllung die Kombination der beiden an sich bekannten Maßnahmen vorgesehen ist, daß an der Mehrzahl der Zwischenflächen zwischen den aneinander anliegenden Brennstofftabletten an einer der beiden Stirnflächen eine kalottenförmige Ausnehmung ausgebildet ist, und daß zwischen den Außenflächen der Brennstofftabletten und der Umhüllung eine Spannungen verteilende Zwischenschicht aus einem Material wie Graphit, Siloxan oder Silicon vorhanden istAccording to the invention, this object is also achieved with a nuclear fuel rod of the type mentioned at the beginning a thin-walled cylindrical envelope solved in that for the purpose of avoiding in Longitudinal cracks in the envelope are the combination of the two known per se Measures are provided that on the majority of the intermediate surfaces between the abutting one another Fuel tablets a dome-shaped recess is formed on one of the two end faces, and that between the outer surfaces of the fuel pellets and the casing a stress is distributed Interlayer made of a material such as graphite, siloxane or silicone is present

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nur durch die Kombination der beiden genannten Maßnahmen Rißbildungen in Längsrichtung der Umhüllung vermieden werden können, weil bei Kernbrennstoffstäben der eingangs genannten Art in Bereichen mit sehr geringer axialer Breite beträchtliche Spannungen in Umfangsrichtung auftreten können, welche der bisher nicht erkannte Grund für in Längsrichtung verlaufende Risse in der Umhüllung sind.The invention is based on the knowledge that only by combining the two measures mentioned Cracking in the longitudinal direction of the cladding can be avoided because of nuclear fuel rods of the type mentioned in areas with a very small axial width considerable stresses in Circumferential direction can occur, which is the previously unrecognized reason for running in the longitudinal direction There are cracks in the envelope.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail with the aid of the drawing. It shows

F i g. 1 einen teilweise im Schnitt dargestellten bekannten Kernbrennstoffstab,F i g. 1 shows a known nuclear fuel rod shown partially in section,

Fig.2 einen vergrößerten Teilschnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1,
Fig.3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 inFIG. 2 shows an enlarged partial section along the line 2-2 in FIG. 1,
Figure 3 is a sectional view taken along line 3-3 in

so Fig. 1, zur Erläuterung einer ersten Art von Rißbildungen, see Fig. 1, to explain a first type of crack formation,

F i g. 4 eine F i g. 3 entsprechende Schnittansicht zur Erläuterung einer zweiten Art von Rißbildungen; und
Fig.5 einen Querschnitt durch einen Kernbrennstoffstab gemäß der Erfindung.F i g. 4 a fig. 3 is a corresponding sectional view for explaining a second type of crack formation; and
5 shows a cross section through a nuclear fuel rod according to the invention.

Der in F i g. 1 dargestellte Kernbrennstoffstab 10 hat eine dünnwandige zylindrische Umhüllung 12, die beispielsweise aus einer Zirkoniumlegierung besteht und eine solche Dicke hat, daß eine Deformation in Eingriff mit den Tabletten 14 erfolgen kann, die an ihren aneinander anliegenden Zwischenflächen kalottenförmige Ausnehmungen aufweisen.The in F i g. 1 shown nuclear fuel rod 10 has a thin-walled cylindrical envelope 12, the consists for example of a zirconium alloy and has such a thickness that a deformation in Engagement with the tablets 14 can take place, the dome-shaped at their abutting intermediate surfaces Have recesses.

F i g. 2 zeigt in übertriebener Darstellung die Verformung der Tabletten 14, wobei entlang des Außenum-F i g. 2 shows in an exaggerated representation the deformation of the tablets 14, wherein along the outer circumference

fangs eine zentrale Einschnürung erfolgt und die Umhüllung sich bei Betriebsbedingungen des Reaktors dieser Form anpaßt Es ist jedoch zu beachten, daß auf die Umhüllung 12 ein Kühlmitteldruck von etwa 100 bärInitially a central constriction takes place and the sheathing changes under operating conditions of the reactor This shape adapts, however, it should be noted that on the casing 12 a coolant pressure of about 100 bar

einwirktacts

F i g. 3 zeigt eine Beschädigung, die im Bereich einer Bruchstelle 5 in einer Tablette auftreten kann und zu einem Riß Fin der Umhüllung 12 führt, wobei praktisch keine Änderung der Querschnittsfläche d?r Umhüllung 12 erfolgt Bei dem in Fig.4 dargestellten Fall tritt dagegen im Bereich der Rißbildung η eine Verringerung des Querschnitts der Umhüllung 12 auf.F i g. 3 shows damage that can occur in the area of a break point 5 in a tablet and leads to a tear in the casing 12, with practically no change in the cross-sectional area of the casing 12. In the case shown in FIG the crack formation η a reduction in the cross section of the envelope 12.

Bei dem in Fig.5 dargestellten Querschnitt durch einen Kernbrennstoffstab gemäß der Erfindung ist zum Zwecke der Vermeidung von in Längsrichtung verlaufenden Rissen in der Umhüllung die Kombination der beiden Maßnahmen vorgesehen, daß an der Mehrzahl der Zwischenflächen zwischen den aneinander angrenzenden Brennstofftabletten 14 an einer der beidenIn the cross section shown in Figure 5 through A nuclear fuel rod according to the invention is for the purpose of avoiding longitudinally Cracks in the envelope the combination of the two measures provided that on the majority of the interfaces between the adjacent fuel pellets 14 on one of the two

Stirnflächen eine kalottenförmigR Ausnehmung ausgebildet ist, und daß zwischen den Außsnflächen der Brennstofftabletten 4 und der Umhüllung 12 eine Spannungen verteilende Zwischenschicht 16 aus einem Material wie Graphit, Siloxan oder Silicon vorhanden istEnd faces formed a dome-shaped recess is, and that between the outer surfaces of the Fuel tablets 4 and the casing 12 have a stress-distributing intermediate layer 16 made of one Material such as graphite, siloxane or silicone is present

Derartige Materialien sind weitgehend inert gegen die Bestrahlung im Reaktor, weisen eine gute Fähigkeit zur Verteilung von Spannungen bei den auftretenden Reaktortemperaturen auf, besitzen eine geringe Scherfestigkeit und können ohne wesentliche Schwierigkeiten auf die Innenwand der Umhüllung 12 oder die Oberfläche der Brennstofftabletten 14 trocken, als Flüssigkeit oder zu trocknende Emulsion aufgetragen werden.Such materials are largely inert to the radiation in the reactor and have good properties to distribute stresses at the reactor temperatures that occur, have a low shear strength and can without significant difficulty on the inner wall of the envelope 12 or the Surface of the fuel tablets 14 dry, applied as a liquid or emulsion to be dried will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,1 sheet of drawings,

Claims

Claim:

Nuclear fuel rod for nuclear reactors, with a thin-walled, non-self-supporting cylindrical metallic sheath, which is provided by an outer that corresponds to the operating pressure in the nuclear reactor Excess pressure against the outer surfaces of a number of closely fitting cylindrical ones Fuel tablets made of non-enriched uranium dioxide can be pressed on, and with the A plurality of the interfaces between the abutting fuel pellets on one of the both end faces a recess is formed, characterized in that for For the purpose of avoiding longitudinal cracks in the envelope, the combination of the two measures known per se, it is provided that on the majority of the intermediate surfaces between the fuel tablets resting against one another on one of the two end faces a dome-shaped recess is formed, and that between the outer surfaces of the fuel pellets and the envelope an intermediate stress-distributing layer made of a material such as Graphite, siloxane or silicone is present.