DE2832552A1 - Fast secure liquid breeder element - with uranium core in plutonium melt and iron sheath with zinc in anti:diffusion layer to prevent sodium voids - Google Patents

Fast secure liquid breeder element - with uranium core in plutonium melt and iron sheath with zinc in anti:diffusion layer to prevent sodium voids

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Abstract

Reactor fuel element for Na-filled fast breeders has a tubular sheath of Fe-based alloy resistant to liq. Na and filled with mainly metallic nuclear fuel. The fuel is heterogeneously distributed, pure U being in the centre, whilst the fission prod. Pu is conc. directly under the wall of the sheath and mixed with U and Fe, so that the fission prod. zone is fluid at the reactor operating temp. The tubular sheath/fission prod. melt/breeder centre zones are sepd. by diffusion-retarding layers of intermetallic cpds. (e.g. Fe2Ta between the sheath and melt and U2Zn17 between the melt and U centre). If the fission prod. overheats Na voids (spontaneous vapour formation) are avoided in the coolant at 889 degrees C. by the vaporisation of small amts. of Zn dissolved in the fission prod. and esp. by the decompsn. of the U2Zn17 at 947 degrees C. at the anticipated internal temp. of the rod. Max. utilisation of all heating surfaces is achieved, and excellent heat transfer occurs between the fluid melt and the sheath. Gases from fission can easily be released into the gas plenum.

Description

Schnelles Sicherheits-Schmelze Brüter-ElementFast safety melt breeder element

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brutreaktorbrennelernent mit intern heterogener Schwermetallverteilung, das geeignet ist, die effektive Spaltstofferzeugung bei der Energieerzeugung gegenüber den bisher entwickelten Brennelementen zu verbesa sern sowie eine günstigere Heizftächenbelastung als bisher konzipierte, heterogene Systeme zu ermöglichen.The invention relates to a breeder reactor burner element with internal heterogeneous heavy metal distribution, which is suitable for the effective generation of fissile material to verbesa in terms of energy generation compared to the fuel elements developed up to now as well as a more favorable heating surface load than previously conceived, heterogeneous Systems to enable.

Stand der Technik ist die bereits im mehrjährigen Betrieb rezeiate Funktionsfähigkeit von Mischoxid-Brennelementen (ca. 20% PuO2/80% UO ) im französischen Prototypreaktor Phenix, so -2 wie eine Reihe von vorlaufenden Experimenten an Versuchsre -aktoren (z.B. KNK Karlsruhe). Daneben sind bereits als Ver -besserung zu den oxidischen Brennelementen karbidische zuVersuchszwecken entwickelt und getestet worden. Es bestehen noch Probleme der Werkstoffbeständigkeit (z. B. AufkohlunF der Hüllrohre durch freiwerdenden C aus der BuC-Spaltun) sowie Wärmeübergangsprobleme. Hauptsächlich für militärische Vere ndunven sind noch andere Systeme untersucht worden (UN - oder Salzschmelze-Reaktoren), Angaben darüber sind nur unvollständig verfüabar. Für die kommerziellen Anwendungen wird der Stand der Technik in den Konferenzpapieren der BNES-Confe -rence:"Optimization of Liquid Metal Fast Breeders", London November 1977, deutlich. Als aussichtsreichste Entwicklunts auf längere Sicht wird die Weiterentwicklung der carbidischen Elemente mit heterogener Verteilung von Spaltstoff und Brut -stoff auch im Reaktorkern angesehen, wenngleich dies Probe -me der Leistungsdichte und der Heizflächenbelastung aufwirit.The state of the art is that which has already been in operation for several years Functionality of mixed oxide fuel elements (approx. 20% PuO2 / 80% UO) in the French Prototype reactor Phenix, so -2 as a series of preliminary experiments on Versuchsre actuators (e.g. KNK Karlsruhe). In addition, there are already an improvement to the oxidic Carbide fuel assemblies have been developed and tested for experimental purposes. It there are still problems of material resistance (e.g. carburization of the cladding tubes due to C released from the BuC cleavage) and heat transfer problems. Mainly Other systems have also been investigated for military associations (UN or Molten salt reactors), information on this is only incomplete. For the commercial applications will be the state of the art in the conference papers of the BNES conference: "Optimization of Liquid Metal Fast Breeders", London November 1977, clearly. As the most promising development in the long term, further development of the carbidic elements with a heterogeneous distribution of fissile material and breeding material also viewed in the reactor core, although this sample -me of the power density and the heating surface load.

Um die verschiedenen Forderungen an ein optimiertes Brenn -element zu erfüllen hat das "Schnelle Sicherheits-Schmelze Brüter-Element" (Gegenstand der Erfindung) folgenden Aufbau: Die Außenzone (1) ist den bekannten Hüllrohrmaterialien für oxidische Brennelemente gleich, um im System des natriumgekühlten Reaktors kühlmittelseitig keine werkstofftechnische Veränderune erforderlich zu machen; die verschiedenen, bereits langjährig getesteten Eisenbasisle gierungen bilden das Hüllrohr.To the different demands on an optimized fuel assembly The "Rapid Safety Melt Breeder Element" (subject of the Invention) the following structure: The outer zone (1) is the known cladding tube materials for oxide fuel elements same to in the system of the sodium-cooled Reactor to make no material-related changes necessary on the coolant side; the Various iron-based alloys that have already been tested for many years form the cladding tube.

Erfindungsgemäß wird eine heterogene Verteilung von Spaltstoff und Brutstoff in der Brennelement-Innenzone ermöglicht durch Einbringen einer plutoniumreichen Außenzone (3) direkt am Hüllrohr und einer Zentralzone des Brennelements (2) bestehend aus reinem Natururan (eP¢f. abgereichertes Uran),: was gegenüber der üblicherweise anvewandten Heterogenität durch verschiedene Brennelemente Vorteile für die Heizflächenbelastung brinat: Alle Heizflächen werden durch die direkt darunter liegende, spaltstoffreiche Zone maximal ausgenutzt (im Gegensatz zu den lei -stungsärmeren Brntstoffelementen bei bisher vorgesehenen Kon-Konzepten) während die Zentraltemperatur mäßig bleibt, da im Brutstoff des Kerns kaum Leistung erzeugt wird.According to the invention, a heterogeneous distribution of fissile material and Breeding material in the fuel element inner zone made possible by introducing a plutonium-rich Outer zone (3) consisting directly on the cladding tube and a central zone of the fuel assembly (2) made of pure natural uranium (eP ¢ f. depleted uranium): what compared to the usual applied heterogeneity due to different fuel assemblies advantages for the heating surface load brinat: All heating surfaces are heated by the fuel-rich Zone used to the maximum (in contrast to the lower-performance fuel elements with previously planned concepts) while the central temperature remains moderate, as hardly any power is generated in the breeding material of the core.

Erfindungsgemäß liegt der Spaltstoff in der außenliegenden Zone am Hüllrohr (3) in einer Legierung des Dreistoffsystems U-Pu-Fe vor, die bereits bei ca. 400°C flüssig wird. Diese plutonium -reiche Legierung - vorzugsweise nahe dem ternären Eutektikumbietet im flüssigen Zustand ausgezeichnete RVärmeübergangseiFenschaften zum Hüllrohr. Zugleieh können in der spaltstoffreichen Zone entstehende Spaltgase leicht in das Spaltgasplenum des Brennelements entweichen, Halogene können zusammen mit Alkali- und Erdalkalispaltprodukten in der Schwermetallschmelze langsamaufschwimmen.According to the invention, the fissile material lies on the outer zone Cladding tube (3) in an alloy of the three-component system U-Pu-Fe, which is already at approx. 400 ° C becomes liquid. This plutonium-rich alloy - preferably close to the ternary eutectic offers excellent heat transfer properties in the liquid state to the cladding tube. Fission gases generated in the fissile-rich zone can also be borrowed easily escape into the fission gas plenum of the fuel assembly, halogens can come together slowly float with alkali and alkaline earth fission products in the heavy metal melt.

Die dauerhafte Trennung der beschriebenen Brennelementbereiche (Natururanzentrum(2) -Spaltstoffzone (3) -Hüllrohr( 1)) wird erfindungsgemäß durch Herstellunz von Schutzschichten erreicht, bestehend aus intermetallischen Verbindungen: Zwischen dem Hüllrohr(l) und der Spaltstoffschmelze kann Fe2Ta oder vergleich -bares Material benutzt werden, das sich in der Spaltstoffschmelze wenig löst. Der notwendige Überzug kann dabei auf dem Hüllrohr erfindungsgemäß durch Tantalbedampfung oder durch Tau -chen mit Fe-Ta-Eutektikum (60% Ta, 13500C) und anschließende Diffusion erzeugt werden. Dies ist zugleich Schutz des Hüllrohrs gegen aggressive Spaltprodukte. Die Trennung Spaltstoff-Schmelze/Brutstoffzentrum wird durch eine Zinkbeschichtung auf dem Uran des Brutstoffzentrums erzeugt. Erfindungsgemäß wird durch Diffusion nach dem Bedampfen oder Tauchen U2Zn17 gebildet, das als intermetallische Verbindung stabil ist, jedoch bei 9470C zu Uran und Zinkdampf zersetzt wird, wenn bei einer unkontrollierten Temperaturerhöhung der Reaktor zu heiß wird und die Gefahr des Natrium-Voids ( spontane Kühlmittel-Verdampfung) besteht. Aufgrund der Temperaturvoreilung bewirken die entstehenden Zinkdampfblasen im Spalts toff eine Volumenexpansion des Spaltstoffs, die erfindungsgemäß in diesem Fall den Neutronen ausfluß des Reaktors stark erhöht und damit die Reaktivität stark senkt. Eine nukleare Exkursion nach Bethe - Tait .:; ist damit aufgrund inhärenter Sicherheit gegen Überhitzung auszuschließen. Der Prozeß wird noch erleichtert, wenn im Spaltstoff geringe Zinkrnengen gelöst sind, was den Beginn der Blasenbildung auf 910°C verschiebt; ebenso haben Spaltgasblasen qünstig regelnden Einfluß. Erfindungsgemäß wird nach der Vibrationseinfüllung des Spaltstoffs in das bereits mit Brutstoffuran(2) gefüllte Brennelement auf Betriebstemperatur des Reaktors erwärmt, um ein Phasengleichgewicht und damit auch die geringe Zinklösung zu erhalten, bevor das Brennelement im Reaktor im Leistungsbetrieb eingesetzt wird. Erfindungsgemäß kann das Brennelement mit metallischer Füllung hohen Schwermetallanteils auseestattet sein, was bei günstiger Heizflächenbe -lattung ein hartes Neutronenspektrum ergibt mit entsprechend hoher Brutrate.The permanent separation of the fuel element areas described (natural uranium center (2) - Fission zone (3) - cladding tube (1)) according to the invention by producing protective layers achieved, consisting of intermetallic compounds: Between the cladding tube (l) and the fissile material melt, Fe2Ta or comparable material can be used, which dissolves little in the fission material melt. The necessary coating can thereby on the cladding tube according to the invention by tantalum vapor deposition or by dewing with Fe-Ta eutectic (60% Ta, 13500C) and subsequent diffusion can be generated. this is at the same time protection of the cladding tube against aggressive fission products. The separation of the fission material melt / breeding material center is created by a zinc coating on the uranium of the breeding material center. According to the invention is formed by diffusion after vapor deposition or immersion U2Zn17, which is called intermetallic Compound is stable, but decomposes to uranium and zinc vapor at 9470C when in the event of an uncontrolled increase in temperature, the reactor becomes too hot and the danger the sodium void (spontaneous refrigerant evaporation). Due to the temperature advance the resulting zinc vapor bubbles in the fissile material cause the volume to expand Fissile material, which according to the invention in this case the neutrons outflow from the reactor greatly increases and thus greatly reduces the reactivity. A nuclear excursion to Bethe - Tait.:; can therefore be ruled out due to the inherent security against overheating. The process is made even easier if small amounts of zinc are dissolved in the fissile material are what shifts the onset of blistering to 910 ° C; likewise have fission gas bubbles favorable regulating influence. According to the invention, after the vibration filling Fissile material in the fuel element, which is already filled with breeding material uranium (2), to operating temperature of the reactor is heated to a phase equilibrium and thus also the low zinc solution to be obtained before the fuel assembly is used in the reactor in power operation. According to the invention, the fuel element with a metallic filling can have a high proportion of heavy metals be equipped, which is a hard neutron spectrum with cheap heating surface lathing results in a correspondingly high breeding rate.

chen mit Fe-Ta-Eutektikum (60% Ta, 13500C) und anschließende Diffusion erzeugt werden. Dies ist zugleich Schutz des tIüllrohrs gegen aggressive Spaltprodukte. Die Trennung Spaltstoff-Schmelze/Brutstoffzentrum wird durch eine Zinkbeschichtung auf dem Uran des Brutstoffzentrums erzeuqt. Erfindungsgemäß wird durch Diffusion nach dem Bedampfen oder Tauchen U9Zn17 gebildet, das als intermetallische Verbindung stabil ist, jedoch bei 9470C zu Uran und Zinkdampf zersetzt wird, wenn bei einer unkontrollierten Temperaturerhöhung der Reaktor zu heiß wird und die Gefahr des Natrium-Voids (; spontane Kühlmittel-Verdampfung) besteht. Aufgrund der Temperaturvoreilung bewirken die entstehenden Zinkdampfblasen im Spaltstoff eine Volumenexpansion des Spaltstoffs, die erfindungsgemäß in diesem Fall den Neutronen ausfluß des Reaktors stark erhöht und damit die Reaktivität stark senkt. Eine nukleare Exkursion nach Bethe - Tait ist damit aufgrund inhärenter Sicherheit gegen Überhitzung auszuschließen. Der Prozeß wird noch erleichtert, wenn im Spaltstoff geringe Zinkrnengen gelöst sind, was den Beginn der Blasenbildungauf 910°C verschiebt; ebenso haben Spaltgasblasen günstig regelnden Einfluß. Erfindungsgemäß wird nach der Vibrationseinfüllung des Spaltstoffs in das bereits mit Brutstoffuran(2) gefüllte Brennelement auf Betriebstemperatur des Reaktors erwärmt, um ein Phasenerleichgewicht und damit auch die geringe Zinklösung zu erhalten, bevor das Brennelement im Reaktor im Leistungsbetrieb eingesetzt wird. Erfindungs gemäß kann das Brennelement mit metallischer Füllung hohen Schwermetallanteils ausgestattet sein, was bei günstiger Heizflächenbe -lastuns ein hartes Neutronenspektrum ergibt mit entsprechend hoher Brutrate.Chen with Fe-Ta eutectic (60% Ta, 13500C) and subsequent diffusion be generated. This is also the protection of the filler pipe against aggressive fission products. The separation of fissile material / melt / breeding material center is made by a zinc coating generated on the uranium of the breeding material center. According to the invention, by diffusion after vapor deposition or immersion, U9Zn17 is formed as an intermetallic compound is stable, but decomposes to uranium and zinc vapor at 9470C if at a uncontrolled increase in temperature the reactor becomes too hot and the risk of Sodium Voids (spontaneous coolant evaporation) exists. Due to the temperature advance the resulting zinc vapor bubbles in the fissile material cause the volume to expand Fissile material, which according to the invention in this case the neutrons outflow from the reactor greatly increases and thus greatly reduces the reactivity. A nuclear excursion to Bethe - Tait can therefore be ruled out due to its inherent security against overheating. The process is made even easier if small amounts of zinc are dissolved in the fissile material are what shifts the onset of bubbling to 910 ° C; likewise have fission gas bubbles favorable regulating influence. According to the invention, after the vibration filling Fissile material in the fuel element, which is already filled with breeding material uranium (2), to operating temperature of the reactor is heated to a phase equilibrium and thus also the low zinc solution to be obtained before the fuel assembly is used in the reactor in power operation. According to the invention, the fuel assembly with a metallic filling can have a high heavy metal content be equipped, which results in a hard neutron spectrum with a favorable heating surface load results in a correspondingly high breeding rate.

Claims (4)

Patentan sprüche: 1. Reaktorbrennelement für für natriumgekühlte, schnelle Brümit mit Hüllrohr aus einer Eisenbasislegierung beständig gegen Flüssig-Natrium (1) und gefüllt mit vorwiegend metalli -schem Kernbrennstoff dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetall-Brennstoff heterogen verteilt ist in dem Sinne als im Zentrum des Brennstabes sich reines Uran befindet (Natururan bzw. abeereichertes Uran zu Brutzwecker (2), daß der Spaltstoff Plutonium direkt unter der Hüllrohrwand konzentriert ist und daß er mit Uran und Eisen so gemischt ist - vorzugsweise als ternäres Eutektikum -, daß bei der Betriebstemperatur des Reaktors die Spaltstoffzone (3) schmelzflüssig ist; das neaktorbrennelement ist weiter dadurch sekennzeichnet, daß die Bereiche Hüllrohr/Spaltstoff-Schmelze/Brutstoffzentrum durch diffusionshemrnende Schichten aus intermetallischen Verbindungen getrennt sind - z. ß. EisenjTantal (Fe2Ta) zwischen Hüllrohr und Spaltstoffschmelze (4) sowie Uran/Zink (U2Z n17) zwischen Spaltstoffschmelze und Uranzentruin (5) -, gekenn- -zeichnet ferner durch ZinkdampfbildunFsfähimkeit bei Überhit -zung im Spaltstoff durch Verdampfen zerinver, gelöster Zink -mengen aus dem Spaltstoff sowie besonders durch Zersetzung des U2Zn17 bei 947°C bei voreilender Innentemperatur des Stabs unter Vermeidung eines Natrium-Voids (spontane Dampfblasenbildung) jenseits 889°C im Kühlmittel. Patent claims: 1. Reactor fuel element for sodium-cooled, Fast broth with a jacket tube made of an iron-based alloy, resistant to liquid sodium (1) and filled with predominantly metallic nuclear fuel characterized by that the heavy metal fuel is distributed heterogeneously in the sense of being in the center the fuel rod contains pure uranium (natural uranium or depleted uranium too Brutzwecker (2) that the fissile material plutonium is concentrated directly under the duct wall and that it is so mixed with uranium and iron - preferably as a ternary eutectic - That the fission zone (3) is molten at the operating temperature of the reactor is; The reactor fuel element is further characterized in that the areas Cladding tube / fissile material melt / breeding material center through diffusion-inhibiting layers are separated from intermetallic compounds - e.g. ß. Iron tantalum (Fe2Ta) between Cladding tube and fissile material melt (4) as well as uranium / zinc (U2Z n17) between the fissile material melt and uranium truin (5) - marked - furthermore characterized by the ability to generate zinc vapor in the event of overheating in the fissile material due to evaporation of dissolved zinc quantities from the fissile material and especially from the decomposition of U2Zn17 at 947 ° C in the case of a leading one Internal temperature of the rod while avoiding a sodium void (spontaneous vapor bubble formation) beyond 889 ° C in the coolant. 2. Reaktobrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn -zeichnet daß die diffusionshemmende Trennschicht Hüllrohr/ Spaltstoffschmelze (4) als besonders dicke, stabile Schicht aufgebracht ist durch Füllen des vorgewärmten Hüllrohrs mit einer eutektischen Fe-Ta-Schmelze (ca. 60%Ta) bei etwa 1380 C zur Erzeugung des hochschmelzenden Fe2,Fa durch Diffusion mit dem Hüllrohr - Eisen. 2. Reactor fuel element according to claim 1, characterized in that the diffusion-inhibiting separating layer cladding tube / fissile material melt (4) as special thick, stable layer is applied by filling the preheated cladding tube with a eutectic Fe-Ta melt (approx. 60% Ta) at approx. 1380 C to generate the high-melting Fe2, Fa by diffusion with the cladding tube - iron. 3. Reaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch ekenn -zeichnet daß die Spaltstoff-Füllung durch Vibrations-Einrütteln von Brennstoffpartikeln (Particle Fuel) in das bereits mit zinkbeschichteten Uranpreßkörpern @ gefüllte Hüllrohr vollständig in das Brennelement einaeueben wird unter Ausnutzuna des Spaltgasplenums für die aufgrund nicht hundertprozentigen Füllara -des überstehende Menge, und dadurch gekennzeichnet, daß Erwärmung auf Betriebstemperatur vor dem Reaktoreinsatz durch Spaltstoffeinschmelzen bereits völlia gleichmäßige Spaltstoffverteilung und verdichtung bewirkt Salat und metalluraisches Gleichgewicht der auftretenden Phasen bereits vor der ersten Kritikalität im Reaktor erreicht ist. 3. Reactor fuel element according to claim 1, characterized in that the filling of fissile material by vibration shaking in fuel particles (Particle Fuel) into the cladding tube, which is already filled with zinc-coated uranium pressed bodies @ is inserted into the fuel assembly using the fission gas plenum for the due to not one hundred percent filling of the excess amount, and characterized by that heating to operating temperature before the reactor is used by melting down fissile materials Already completely even distribution of fissile material and compaction causes lettuce and metalluraic equilibrium of the phases occurring even before the first criticality is reached in the reactor. 4. Reaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn -zeichnet daß an Stelle der flüssigen Brennstoff-Füllung keramische Spaltstoff- und Brutstoffbereiche durch auf den Brutstoffbereich im Zentruni (2) aufgesinterte Zwischenschichten getrennt werden bei weitgehender Unlöslichkeit der aufaesinterten Zwischenschicht im Spalt- und Brutstoffmaterial - z.B. aus Al203, ZrO2, MgO oder Mischungen als Zwischenschicht. 4. reactor fuel element according to claim 1, characterized in-marked that instead of the liquid fuel filling ceramic fissile material and breeding material areas separated by intermediate layers sintered onto the breeding material area in the center (2) are largely insoluble in the sintered intermediate layer in the cleavage and breeding material - e.g. made of Al 2 O 3, ZrO 2, MgO or mixtures as an intermediate layer.
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