DE2823061A1

DE2823061A1 - Pelletised fuel for water reactor - has fission product duct through pellet centres connected to grooves at periphery

Info

Publication number: DE2823061A1
Application number: DE19782823061
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Dr Wunderlich
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1979-11-29

Abstract

Fuel rod, esp. for a light water reactor, consists of a sealed tubular can containing a stack of fuel pellets and a helium atmosphere. Each fuel pellet has a central bore to permit gaseous fission products to escape to the accumulation spaces within the can. The cylindrical outer face of the pellet comprises a number of (vertical) grooves designed to offer min. hinderance to heat transfer between pellet and can. These grooves are pref. connected to the central bore by depressions or grooves on the upper and/or lower faces of the pellet. In additions, there may be radial bores connecting the vertical grooves on the outer face of the pellet to the central bore. Arrangement conveys fission products away from the gap around the perimeter of the pellet and thus prevents precipitation of these prods. there, which can lead to a deterioration in the heat transfer between pellet and wall and consequent damage to the can.

Description

KernreaktorbrennstabNuclear reactor fuel rod

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstab für vorzugsweise Leichtwasserkernreaktoren, bestehend aus einer beiderseits gasdicht verschlossenen Hüllrohr, das mit zylinderförmigen Kernbrennstoffkörpern unter Belassung von Spaltgassammelräumen gefüllt ist, wobei zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr ein mit Helium'gefüllter Spalt verbleibt. Dieser grundsätzliche Aufbau von Kernreaktorbrennstäben ist so allgemein bekannt, daß es nicht notwendig erscheint, diesen noch weiter zu erläutern. Im Raktorbetrieb nist der Durchmeszer der Hüllrohre in Leichtwasserreaktor infolge Kriechens unter äußerem Uberdruck ab, der Durchmesser der Brennstofftabletten dagegen durch Relocation und Schwellen zu, so daß es zu mechanischer Berührung zwischen beiden und dem Aufbau von Zugspannungen im Hüllrohr kommen kann. Diese Zuspannungen können unter Umständen zur Rißbildung im Hüllrohr führen. Es ist daher bereits versucht worden, durch entsprechende Formgebung der Kernbrennstofftabletten diese möglichen Spannungen zu reduzieren und damit die Betriebssicherheit der Kernreaktorbrennstäbe zu erhöhen. Ein solcher Vorschlag ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 1 614 944 enthalten. Dort werden Kernbrennstofftabletten mit einer zentralen Bohrung vorgeschlagen, wobei außerdem auf den zylindrischen Außen- und Innenflächen dieser nunmehr ringförmigen Kernbrennstofftabletten tiefe Rillen vorgesehen sind. Durch diese tiefen Längsrillen wird eine Herabsetzung der Spannungen erreicht.The present invention relates to a fuel rod for preferably Light water nuclear reactors, consisting of one gas-tight sealed on both sides Cladding tube with cylindrical nuclear fuel bodies leaving fission gas collecting spaces is filled, with a with between the nuclear fuel pellets and the cladding tube The gap filled with helium remains. This basic structure of nuclear reactor fuel rods is so well known that it does not seem necessary to go further explain. In the reactor operation, the diameter of the cladding tubes is nested in the light water reactor as a result of creeping under external overpressure, the diameter of the fuel pellets on the other hand, by relocation and thresholds too, so that there is mechanical contact between both and tensile stresses can build up in the cladding tube. Under certain circumstances, this tension can lead to the formation of cracks in the cladding tube. It attempts have therefore already been made to shape the nuclear fuel pellets accordingly to reduce these possible voltages and thus the operational safety of the nuclear reactor fuel rods to increase. Such a proposal is, for example, in the German Offenlegungsschrift 1 614 944 included. There are nuclear fuel pellets with a central hole proposed, and also on the cylindrical outer and inner surfaces of this now annular nuclear fuel pellets are provided with deep grooves. By These deep longitudinal grooves reduce the stresses.

Es hat sich Jedoch herausgestellt, daß als Ursache für Brennstabschäden vor allem völlig andere Erscheinungen infrage kommen Brennstäbe von Wasserreaktoren haben eine begrenzte Fähigkeit, Leistungssteigerungen, auch Lastrampen genannt, zu ertragen. Bei Rastrampen erfahren die Brennstofftabletten eine stärkere Wärmedehnung als das Hüllrohr, das Hüllrohrgerät unter Zugspannung.However, it has been found to be the cause of fuel rod damage Above all, completely different phenomena come into question, fuel rods from water reactors have a limited ability to increase performance, also called load ramps, to suffer. In the case of locking ramps, the fuel tablets experience greater thermal expansion than the cladding tube, the cladding tube device under tension.

Wesentlich dabei ist die Steilheit dieser Lastrampen, d.h. die Geschwindigkeit der Leistungssteigerungen. Zur Verhinderung der damit möglichen mechanischen Wechselwirkung zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr wird die zulässige Stableißtung, insbesondere nach höheren Abbränden begrenzt, außerdem wird dafür Sorge getragen, daß die Laständerungsgeschwindigkeit in Grenzen bleibt. Neben dem mechanischen Effekt tritt aber ein so- genannter transienter thermischer Rückkoppelungseffekt auf, der mit der Freisetzung von korrosiven Spalt produkten verbunden ist. Diese thermische Rückkoppelung besteht darin, daß es bei einer Leistungssteigerung zunächst zu einer verstärkten Spaltgasfreisetzung kommt. Das freigesetzte Spaltgas hat ii Vergleich zum Helium, mit den der Brennstab gefüllt ist, eine etwa 20 mal schlechtere Wärmeleitfähigkeit und verschlechtert damit den Wärmedurchgang durch den Spalt zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr, weil es du vorher dort befindliche Helium verdrängt. Dies führt zu einem zusätzlichen Temperaturanstieg - die Wärmeabfuhr hat sich ja verschlechtert - und damit wiederum zu einer verstärkten Spaltgasfreisetzung. Es handelt aich also um eine positive Rückkoppelung dieses Spaltgasfreisetzungseffektes.The steepness of these load ramps, i.e. the speed, is essential the performance increases. To prevent the mechanical interaction that is possible with it between the fuel pellets and the cladding tube is the permissible rod deflection, limited in particular after higher burn-ups; care is also taken to ensure that that the load change rate remains within limits. Besides the mechanical effect but if so- called transient thermal feedback effect associated with the release of corrosive fission products. These thermal feedback consists in the fact that there is initially an increase in performance there is an increased release of fission gas. The cracked gas released has ii Compared to the helium with which the fuel rod is filled, about 20 times worse Thermal conductivity and thus worsens the heat transfer through the gap between the nuclear fuel pellets and the cladding tube because it was there before Displaced helium. This leads to an additional increase in temperature - the heat dissipation has deteriorated - and thus in turn to an increased release of fission gas. So it is a matter of a positive feedback of this fission gas release effect.

Zusammen mit den Spaltgases werden auch korrosive Spaltprodukte, wie z.B. Jod, Tellur und Cadniun freigesetzt und gelangen damit auch in den Spalt zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr. Dort können sie in Kombination mit Zugspannung im Hüllrohr zurSpannungsrißkorrosion des letzteren führen und damit Brennstabdefekte auslösen.Together with the fission gas, corrosive fission products such as E.g. iodine, tellurium and cadnium are released and thus also get into the gap between the nuclear fuel pellets and the cladding tube. There they can be combined with Tensile stress in the cladding tube lead to stress corrosion cracking of the latter and thus Trigger fuel rod defects.

Diese Erkenntnisse über die Entstehung möglicher Kernbrennstabdefekte führten zu der Aufgabe, nach Möglichkeiten zur Verhinderung derselben zu suchen.This knowledge about the development of possible nuclear fuel rod defects led to the task of looking for ways to prevent the same.

Die Lösung dieser Aufgabe führte erfindungsgemäß zu einem Brennstab mit dem eingangs beschriebenen Aufbau, bei dem die ernbrennstoffkörper mit einer zentralen Bohrung zur erleichterten Abfuhr der entstehenden Spaltprodukte in den oder die Spaltgassammelräume versehen sind und die zylindrischen Außenflächen dieser Körper den Wärmeübergang zum HUllrohr möglichst wenig behindernde Nuten aufweisen, die vorzugsweise über stirnseitige Rillen und/oder Vertiefungen mit der zentralen Bohrung in Verbindung stehen. Diese Verbindung zwischen den Nuten und der zentralen Bohrung kann aber auch über radiale Bohrungen vorgesehen sein. Auch die an den Enden der Brennstofftablettensäulen angeordneten Isoliertabletten müssen eine zentrale Bohrung haben, soweit sie an einen Spaltgassammelraum angrenzen.The solution to this problem led, according to the invention, to a fuel rod with the structure described above, in which the fuel body with a central bore to facilitate the removal of the resulting fission products into the or the fission gas collecting spaces are provided and the cylindrical outer surfaces of these Body have the heat transfer to the shell tube as few obstructing grooves as possible, which preferably have frontal grooves and / or depressions with the central Bore in communication. This connection between the grooves and the central However, the bore can also be provided via radial bores. Even the ones at the ends The insulating tablets arranged in the fuel tablet columns must have a central Have holes as far as they border on a fission gas collection space.

Dieser Aufbau ist in der beiliegenden Figur schematisch dargestellt. Mit 1 ist das Hüllrohr angedeutet, mit 10 ein Brennstoffkörper oder eine Brennstofftablette bezeichnet. Diese Tablette weist eine Zentralbohrung 2 auf, an ihrer zylindrischen Außenfläche ist sie mit Längsnuten oder Rillen 3 versehen. Diese stehen über ßtirnßeitige Nuten 4 mit der Zentralbohrung 2 in Verbindung, Eine andere Verbindungsmöglichkeit wäre die radiale Bohrung 5, die gestrichelt eingezeichnet ist.This structure is shown schematically in the accompanying figure. With 1 the cladding tube is indicated, with 10 a fuel body or a fuel tablet designated. This tablet has a central bore 2 on its cylindrical It is provided with longitudinal grooves or grooves 3 on the outer surface. These are above the front Grooves 4 in connection with the central bore 2, Another connection option would be the radial bore 5, which is shown in dashed lines.

Eine solche Brennstofftablette kann selbstverständlich auch, wie heute allgemein üblich, mit einem stirnseitigen Dishing 6 zur Ermöglichung der thermischen Ausdehnung der heißen Zentralbereiche der Tabletten versehen sein.Such a fuel tablet can of course also be used, as it is today common practice with a front dishing 6 to enable thermal Expansion of the hot central areas of the tablets to be provided.

Durch dieses System der miteinander verbundenen Hohlräume 2, 3, 4 wird sichergestellt, daß ich im Tablettenbereich eine möglichst große Heliummenge befindet und dadurch die Empfindlichkeit für die transiente thermische Rückkoppelung reduziert wird. Im Spalt 11 zwischen Kernbrennstofftablette 10 und HUllrohr 1 verbleibt damit auch bei vermehrtem Spaltgasaustritt eine erhebliche Menge Helium, so daß die Wärleleitung zum Hüllrohr 1 nur wenig leidet und rollt der eingangs geschilderte positive Rückkoppelungseffekt nicht oder erst bei wesentlich höheren Stableistungen zur Ausbildung gelangt Durch dieses System der Hohlraume wird weiter der Abtransport der korrosiven Spaltprodukte über die zentrale Bohrung 2 zu den Spaltgassammelräumen an den Enden der Brennstäbe ermöglicht. Die Spaltprodukte sind also praktisch nicht gezwungen, sich im Spalt 11 zwischen Kernbrennstoffkörper und Hüllrohr abzusetzen, wie es bei Tabletten ohne zentrale Bohrung der Fall ist.This system of interconnected cavities 2, 3, 4 it ensures that I have the largest possible amount of helium in the tablet area and thereby the sensitivity for the transient thermal feedback is reduced. Remains in the gap 11 between the nuclear fuel pellet 10 and the casing tube 1 thus a considerable amount of helium even with increased fission gas leakage, so that the conduction of heat to the cladding tube 1 suffers only a little and that described at the beginning rolls positive feedback effect not at all or only at significantly higher rod powers comes to training This system of cavities continues the removal of the corrosive fission products via the central bore 2 to the fission gas collecting spaces at the ends of the fuel rods. So the fission products are practically nonexistent forced to settle in the gap 11 between the nuclear fuel body and the cladding tube, as is the case with tablets without a central bore.

Durch dies konstruktiven Maßnahmen wird also letzten Endes erreicht, daß Leistungssteigerungen viel rascher durchgeführt werden können und auch die Begrenzung der zulässigen Stableistung nach oben verschoben werden kann.Through these constructive measures, it is ultimately achieved that performance increases can be carried out much more quickly and also the limitation the permissible rod power can be shifted upwards.

Selbstverständlich ist die Lösung dieser Aufgabe nicht allein auf die in der Figur dargestellte Konstruktion beschränkt, vielmehr sind auch noch weitere Möglichkeiten wie z.B. kürzere Tabletten denkbar, bei denen nur die eine Stirnseite mit radialen Nuten veriehen ist und die evtl. so in den Brennstab eingebaut werden, daß die genuteten Stirnseiten aneinander liegen. Selbstverständlich könnte aber auch der Einbau solcher Tabletten mit einheitlicher Ausrichtung von Vorteil sein.Of course, solving this task is not based on your own the construction shown in the figure is limited, but there are also more Possibilities such as shorter tablets conceivable with only one face is provided with radial grooves and which may be built into the fuel rod in this way that the grooved end faces lie against one another. But of course it could The incorporation of such tablets with a uniform orientation can also be advantageous.

2 Patentansprüche 1 Figur2 claims 1 figure

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Fuel rod for preferably light water nuclear reactors, consisting of a jacket tube which is sealed gas-tight on both sides and which is connected to a cylindrical Fuel bodies is filled collecting spaces while leaving Spaitgas, with between a gap filled with helium remains between the nuclear fuel pellets and the cladding tube, d a d u r e h e k e n n -z e i c h n e t that the nuclear fuel body (10) with a central opening (2) for easier removal of the resulting fission products are provided in the fission gas collection space or spaces and the cylindrical outer surfaces this body the heat transfer to the cladding tube as little as possible obstructing grooves (3) has, which preferably have frontal grooves (4) and / or depressions with the central bore (2) are in communication.

2. Brennztab according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the grooves (3) of the outer surfaces via radial bores (5) with the central Bore (2) are in communication.