DE3307610A1

DE3307610A1 - CORE REACTOR FUEL ELEMENT

Info

Publication number: DE3307610A1
Application number: DE19833307610
Authority: DE
Inventors: Stefan 01002 Amherst Mass. Begej; James Andrew 99352 Richland Wash. Christensen; John Edward 99352 Richland Wash. Garnier; Ralph Eric 99336 Kennewick Wash. Williford
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-03-03
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1983-09-08
Also published as: GB2116354B; GB8304111D0; JPS58166286A; FR2522865A1; GB2116354A; CA1195441A

Description

■ I■ I

Kernreaktor-BrennstoffelementNuclear reactor fuel element

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem Brennstoffmaterial und dem Überzug.The invention relates to a nuclear reactor fuel element. In particular, the invention relates to a Nuclear reactor fuel element with improved heat transfer properties between the fuel material and the coating.

Mechanismen, die den Radial-Wärmeübertragungsprozess zwischen dem Brennstoffmaterial und dem Überzug beeinflussen, können als der tatsächliche Brennstoff angesehen werden: die Überzugskontaktfläche, die Spalttrennung zwischen dem Brennstoff und dem Überzug, die thermischen und physikalischen Eigenschaften des Brennstoffs und der Überzugsanpassungsmateralien, die Oberflächenbedingungen des Brennstoffs: Überzugszwischenfläche, Strahlung, und Zwischengitterströmungsmittel, (d. h. das Gas).Mechanisms that control the radial heat transfer process between the fuel material and the coating can be considered to be the actual fuel: the coating contact area, the gap separation between the fuel and the coating, the thermal and physical Properties of fuel and coating adapting materials, the surface conditions of the fuel: coating interface, radiation, and interstitial fluid, (i.e. the gas).

Von diesen Radial-Wärmeübertragungsmechanismen spielt die thermische Leitfähigkeit des Gases eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Spaltleitfähigkeitsbeitrags zur gesamten Wärmeübertragung. Anfangs ist der Brennstoff-Überzugs-Spalt mit einem ein niedriges Molekulargewicht aufweisenden, eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzenden Gas, wie beispielsweise Helium gefüllt. Während des Verbrennens des Brennstoffs werden Spaltprodukte erzeugt und ein TeilOf these radial heat transfer mechanisms, the thermal conductivity of the gas plays an important role in determining the fracture conductivity contribution to the total Heat transfer. Initially, the fuel coating gap is a low molecular weight, a gas that has a high thermal conductivity, such as, for example, helium. While burning of the fuel, fission products are generated and a part

dieser Spaltprodukte(Xenon und Krypton) entweichen zur Plenumregion des Brennstoffelements. Die Folge ist eine Ansammlung dieser Gase im Brennstoff: der Überzugsspalt hat eine Absenkung der thermischen Leitfähigkeit des Spalts infolge der niedrigeren thermischen Leitfähigkeit der Gasmischung zur Folge. Der chemische Zustand und die Konzentration der Spaltprodukte (d. h. Element, Oxyd oder Komplexverbindung) beeinflussen auch die Verfügbarkeit des Sauerstoffs innerhalb der Brennstoffstange. Dies wiederum beschneidet das Sauerstoffpotential des Brennstoffs, was von größter Wichtigkeit hinsichtlich der Bestimmung ist, ob der Brennstoff chemisch mit dem Überzug reagieren kann. Wenn diese Reaktionen auftreten, so haben sie die Korrosion des Metalls und eine sich dadurch ergebende Schwächung des Überzugs zur Folge, der die Hauptsperre gegenüber der Freisetzung von Radioaktivität bildet. Somit ist jeder Mechanismus, der die örtliche Konzentration und/oder Verteilung von Gasen innerhalb des Plenums beeinflußt, von Wichtigkeit.these fission products (xenon and krypton) escape to the Plenum region of the fuel element. The result is an accumulation of these gases in the fuel: the coating gap has a lowering of the thermal conductivity of the gap due to the lower thermal conductivity the result of the gas mixture. The chemical state and concentration of the fission products (i.e. element, oxide or Complex compounds) also affect the availability of oxygen within the fuel rod. this in turn cuts the oxygen potential of the fuel, which is of the utmost importance in determining whether the fuel can chemically react with the coating. When these reactions occur, they have corrosion of the metal and the resulting weakening of the coating, which is the main barrier to the Release of radioactivity forms. Thus, every mechanism is that of local concentration and / or distribution influenced by gases within the plenary, of importance.

Die thermische Diffusion ist ein solcher Mechanismus und zwar besteht dieser aus einer Relativbewegung der Massenkomponenten einer Gasmischung, was sich aus Temperaturdifferenzen innerhalb der Gasmischung ergibt, und zwar entsprechend einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Oberflächen. Eine solche Bewegung wurde experimentell durch S. Chapman und F. W. Dootson bestätigt, und zwar in Phil. Mag(6) 33, 248 (1917). Im Jahre 1938 verwendeten K. Clusius und G. Dickel gemäß Naturwissenschaften, 26, 547 (1938) dieses Phänomen dazu, um ein kontinuierliches Verfahren zur Trennung von Mischungen aus Gasen und Isotopen vorzusehen. Eine kürzliche theoretische Untersuchung ergab, daß eine potentiell beträchtliche thermische Trennung von Gasen innerhalb eines Brennstoffstabes unter bestimmten Bedingungen auftreten kann. Vergleiche dazu S. K. Loyalka,Thermal diffusion is such a mechanism and consists of a relative movement of the mass components of a gas mixture, which results from temperature differences within the gas mixture, namely corresponding to a temperature difference between the two surfaces. Such movement has been experimentally confirmed by S. Chapman and FW Dootson in Phil. Mag (6) 33, 248 (1917). In 1938 K. Clusius and G. Dickel according to Naturwissenschaften , 26, 547 (1938) used this phenomenon to provide a continuous process for the separation of mixtures of gases and isotopes. A recent theoretical study has shown that potentially significant thermal separation of gases within a fuel rod can occur under certain conditions. Compare with SK Loyalka,

V. K. Chandola, L. B. Thomes "Clusius-Dickel Effects in a Nuclear Fuel Rod", Nuclear Science and Engineering, 1979.V. K. Chandola, L. B. Thomes "Clusius-Dickel Effects in a Nuclear Fuel Rod ", Nuclear Science and Engineering, 1979.

Es wurde eine Kernreaktor-Brennstoffstabkonstruktion entwickelt, die nicht nur die thermische Diffusion ausnutzt, sondern auch die Konvektionstrennung, um so die thermisch schlecht leitenden, ein hohes Molekulargewicht besitzenden Spaltgase von den thermisch besser leitenden, ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Gasen zu trennen, um so die Wärmeübertragung über den Brennstoff/Überzugs-Spalt zu verbessern. A nuclear reactor fuel rod design was developed that not only takes advantage of thermal diffusion, but also the convection separation, so that the thermally poorly conductive, have a high molecular weight To separate fission gases from the more thermally conductive, low molecular weight gases, in order to achieve the Improve heat transfer across the fuel / coating gap.

Wie oben erwähnt, besteht die thermische Diffusion in einer Relativbewegung der Komponenten einer Gasmischung und zwar infolge von Temperaturdifferenzen innerhalb der Gasmischung, hervorgerufen durch den Temperaturgradienten zwischen zwei Oberflächen in einer Brennstoffstange, zwischen der Außenoberfläche des Brennstoffs und der Innenoberfläche des Überzugs (clad). In einer Mischung von anfangs gleichförmiger Zusammensetzung führt dies daher zum Entstehen eines über den Spalt hinweg verlaufenden Konzentrationsgradienten. Die übliche Diffusion hat die Tendenz, den Konzentrationsgradienten zu eliminieren und eine Stetig-Zustandsbedingung ist möglich, bei welcher der Trenneffekt der thermischen Diffusion im Gleichgewicht steht mit dem Wiedermischungseffekt der gewöhnlichen Diffusion. In einem Brennstoffstab oder einer Brennstoffstange tragen sämtliche vom Gas im Spalt gesehenen axialen, radialen und umfangsmäßigen Temperaturgradienten zu einer partiellen Trennung der Komponenten infolge thermischer Diffusion bei. Es wurde ebenfalls festgestellt, daß durch die Gravitation eingeführte Konvektionseffekte ferner mit den radialen, thermisch induzierten Konzentrationsdifferenzen in Wechselwirkung treten und schließlich eine Wanderung der schwereren und leichteren gasförmigen Komponenten zum Boden bzw. zur Oberseite der Stange hin bewirken. Die sich ergebenden Axialkonzentrationsdifferenzen werden somit größer,As mentioned above, thermal diffusion consists in a relative movement of the components of a gas mixture as a result of temperature differences within the gas mixture, caused by the temperature gradient between two Surfaces in a fuel rod, between the outer surface of the fuel and the inner surface of the coating (clad). In a mixture of initially uniform composition, this therefore leads to the development of a Concentration gradient running across the gap. The usual diffusion has the tendency to the concentration gradient to be eliminated and a steady state condition is possible, in which the separation effect of thermal diffusion in the Equilibrium stands with the remixing effect of the ordinary Diffusion. In a fuel rod, all of the gas seen in the gap carries axial, radial and circumferential temperature gradients to a partial separation of the components due to thermal diffusion. It was also found that by the convection effects introduced by gravity also with the radial, thermally induced concentration differences interact and ultimately a migration of the heavier and lighter gaseous components to the soil or to the top of the rod. The resulting axial concentration differences are therefore greater,

wenn sowohl die konvektiven als auch die thermischen Diffusionseffekte zusammenarbeiten, als dann, wenn die thermische Diffusion alllein wirkt.if both the convective and thermal Diffusion effects work together than when the thermal diffusion acts alone.

Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelement besteht daher aus einem rohrförmigen äußeren Metallüberzug mit einer Innen oberfläche und abgedichteten Enden, wobei das Innere des Überzugs in einen oberen, relativ langen Brennstoffabschnitt und einen unteren, relativ kurzen Gas-Akkumulator- oder Sammelabschnitt unterteilt ist und wobei die Abschnitte in Gasverbindung miteinander stehen. Ein Mittelkern aus aktiniden Brennstoffmaterial ist innerhalb des oberen Brennstoffabschnitts angeordnet, wobei das Brennstoffmaterial einen etwas kleineren Durchmesser als die Innenoberfläche des Überzugs besitzt, um so einen Ringraum dazwischen zu bilden. Ein ein niedriges Molekulargewicht und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzendes Wärmeübertragungsgas ist abgedichtet innerhalb des Überzugs vorgesehen, um Wärme zwischen dem Brennstoffmaterial und der Innenoberfläche des Überzugs während der Bestrahlung des Brennstoffelements zu leiten. Zur Verlängerung der Brennstoff-Abschnittlänge hinab zu und in Verbindung mit dem Sammelabschnitt ist mindestens eine im Ganzen longitudinale Nut entweder in der Außenoberfläche des Brennstoffs, der Innnenoberflache des Überzugs oder teilweise in beiden ausgebildet. Die Radialtiefe der Nut reicht aus, um eine Zone erhöhter Temperaturdifferenz zwischen der heißen Außenoberfläche des Brennstoffs und der relativ kühleren Innenoberfläche des Überzuges vorzusehen, um so eine radiale thermische Trennung (Segregation) zwischen dem ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Wärmeübertragungsgas und dem ein hohes Molekulargewicht besitzenden Spaltproduktgas vorzusehen, wodurch die ein hohes Molekulargewicht besitzenden Gase zu der relativ kühleren Überzugsfläche wandern und durchThe nuclear fuel element of the present invention therefore exists of a tubular outer metal coating with an inner surface and sealed ends, the interior of the Coating in an upper, relatively long fuel section and a lower, relatively short gas accumulator or Collecting section is divided and wherein the sections are in gas communication with one another. A center core from actinide fuel material is within the top Fuel section arranged, wherein the fuel material has a slightly smaller diameter than the inner surface of the coating so as to form an annulus to form in between. A heat transfer gas having a low molecular weight and high thermal conductivity is provided sealed within the coating to allow heat between the fuel material and of the inner surface of the coating during irradiation of the fuel element. To extend the Fuel section length down to and in connection with the collection section is at least one as a whole longitudinal groove either in the outer surface of the fuel, the inner surface of the coating or partially trained in both. The radial depth of the groove is sufficient to cover a zone of increased temperature difference to provide between the hot outer surface of the fuel and the relatively cooler inner surface of the coating, so as to create a radial thermal separation (segregation) between those with a low molecular weight To provide heat transfer gas and the high molecular weight fission product gas, whereby the high molecular weight gases migrate to and through the relatively cooler coating surface

Schwerkraft die Nut hinab zum Akkumulator fließen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Akkumulator Material enthalten, welches in der Lage ist, mit bestimmten, ein hohes Molekulargewicht aufweisenden Gasarten zu reagieren oder diese zu gettern, und zwar als ein Mittel um das Gas zurückzuhalten, um so die Diffusion in den Brennstoffabschnitt zu verhindern, um das Wärmeübertragungsgas zu verdünnen. Dies kann dann auftreten, wenn der Temperaturgradient zwischen dem Brennstoff und dem Überzug auf Null reduziert würde, wie beispielsweise dann, wenn der Reaktor abgeschaltet wird.Gravity flow down the groove to the accumulator. According to one embodiment, the accumulator can be material which is able to react with certain types of high molecular weight gas or gettering them as a means of retaining the gas so as to prevent diffusion into the fuel section to prevent to dilute the heat transfer gas. This can occur when the temperature gradient between the fuel and the coating would be reduced to zero, such as when the reactor is switched off.

Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, ein Kernreaktor-Brennstoffelement vorzusehen, welches eine verbesserte Wärmeübertragung über den Brennstoff/Überzugs-Spalt vorsieht. Weiterhin bezweckt die Erfindung, ein Kernreaktor-Brennstoffelement anzugeben, welches Mittel enthält, um das ein niedriges Molekulargewicht besitzende Wärmeübertragungsgas von den ein hohes Molekulargewicht besitzenden Spaltproduktgasen zu trennen, um so die Wärmeübertragung über den Brennstoff/Überzug-Spalt zu verbessern,It is therefore an object of the invention to provide a nuclear reactor fuel element to provide improved heat transfer across the fuel / coating gap provides. Another object of the invention is to provide a nuclear reactor fuel element which means contains to the low molecular weight heat transfer gas from the high molecular weight to separate the fission product gases possessing, so as to improve the heat transfer across the fuel / coating gap,

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten sowie weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:Further advantages, objects and details as well as further features of the invention emerge from the description of FIG Embodiments based on the drawing; in the drawing shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Brennstoffelement ;1 shows a longitudinal section through the fuel element according to the invention ;

Fig. 2 einen Querschnitt des Brennstoffelements der Fig. 1, und zwar längs Linie 2-2 in Fig. 1, wobei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;FIG. 2 shows a cross section of the fuel element of FIG. 1, to be precise along line 2-2 in FIG. 1, with an exemplary embodiment the invention is shown;

Fig. 3 einen Querschnitt des Brennstoffelements eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;3 shows a cross section of the fuel element of a further embodiment of the invention;

.3..3.

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements. 4 shows a cross section through a further exemplary embodiment of a fuel element according to the invention.

In Fig. 1 ist ein Brennstoffelement 10 gezeigt, welches ein äußeres Überzugsrohr 12 aufweist, welches in eine obere, relativ lange Brennstoffkammer 14 und eine untere, relativ kurze Akkumulator- oder Sammlerkammer 16 unterteilt ist, wobei die Kammern durch ein sich nach innen erstreckendes Tragelement oder einen Tragschenkel 18 unterteilt sind. Innerhalb der Kammer 14 befindet sich, getragen von dem Schenkel 18 ein mittiger Brennstoffkern 20, der eine Außenoberfläche 22 besitzt, die einen e^was kleineren DurchmesserIn Fig. 1, a fuel element 10 is shown which an outer cover tube 12, which in an upper, relatively long fuel chamber 14 and a lower, relatively short accumulator or collector chamber 16 is divided, the chambers by an inwardly extending Support element or a support leg 18 are divided. Located within the chamber 14 is carried by the Leg 18 a central fuel core 20 having an outer surface 22 which has an e ^ which is smaller in diameter

24
besitzt als die Innenoberfläche des Uberzugsrohrs 12, um so einen schmalen Ringraum 26 dazwischen vorzusehen. Mit gleichmäßigem Abstand um den Durchmesser der Oberfläche 24 herum angeordnet befinden sich innerhalb des Brennstoffabschnitts eine Vielzahl von Längsnuten 28, vor die sich in Abschnitt nach unten und in Verbindung mit dem Sammelabschnitt 16 erstrecken. Jede Nut 28 besitzt eine Überzugsoberfläche 30 und eine Brennstoffoberfläche 32, die mit einem hinreichenden Abstand voneinander angeordnet sein müssen, um ein Temperaturdifferenzial zwischen den Oberflächen vorzusehen, welches ausreicht, um thermische Trennung oder Segregation zu ergeben. Innerhalb des Abschnitts 15 ist ein Gettermaterial 34 angeordnet, um bestimmte Spaltproduktgase zu sorbieren und um zu verhindern, daß diese wiederum in die Brennstoffkammer 14 während Perioden eintreten, wenn das Brennstoffelement kalt ist.24
as the inner surface of the cover tube 12 so as to provide a narrow annular space 26 therebetween. Equally spaced around the diameter of the surface 24, there are a plurality of longitudinal grooves 28 within the fuel section which extend in section downwardly and in connection with the collecting section 16. Each groove 28 has a coating surface 30 and a fuel surface 32 which must be spaced sufficiently apart to provide a temperature differential between the surfaces sufficient to provide thermal separation or segregation. A getter material 34 is disposed within section 15 to sorb certain fission product gases and to prevent these from re-entering fuel chamber 14 during periods when the fuel element is cold.

Die Nuten 28 sind - wie in Fig. 2 gezeigt - mit gleichem Abstand um den Umfang der Innenoberfläche 24 herum angeordnet. In Fig. 3 sind die Nuten mit gleichmäßigem Abstand um die Außenoberfläche 22 des Brennstoffkerns 20 herum angeordnet dargestellt, wohingegen in Fig. 4 die Nuten 26 mit Abstand um sowohl die Innenoberfläche 24 als auch dieAs shown in FIG. 2, the grooves 28 are arranged with the same spacing around the circumference of the inner surface 24. In FIG. 3, the grooves are evenly spaced around the outer surface 22 of the fuel core 20 shown, whereas in Fig. 4, the grooves 26 spaced around both the inner surface 24 and the

. /10 ·. / 10

Außenoberfläche 22 herum angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es notwendig, eine Anordnung vorzusehen, um die Drehung des Brennstoffs bezüglich des Überzugs zu verhindern, um so zu erreichen, daß die Nuten entgegengesetzt zueinander verbleiben, um sicherzustellen, daß das Temperaturdifferenzial vorgesehen wird. Andere Verfahren und Konfigurationen sind dem Fachmann gegeben, wobei örtliche longitudinale Zonen von erhöhter Temperaturdifferenz vorgesehen werden, die ausreichen, um die radiale thermische Trennung zu bewirken.Outer surface 22 are arranged around. In this embodiment it is necessary to provide some arrangement to prevent the rotation of the fuel relative to the coating to prevent so as to achieve that the grooves remain opposite to each other to ensure that the temperature differential is provided. Other methods and configurations are given to those skilled in the art, wherein local longitudinal zones of increased temperature difference are provided, which are sufficient to the radial thermal Cause separation.

Das Brennstoffelement muß mindestens eine vorzugsweise aber mindestens drei mit gleichmäßigem Abstand angeordnete Nuten aufweisen, um eine angemessene Trennung der Gase vorzusehen. Vorzugsweise erstrecken sich die Nuten von der Oberseite des Brennstoffabschnitts nach unten zum unteren Sammlerabschnitt, sie können geradlinig verlaufen, oder aber sie können eine vertikale spiral- oder schraubenlinienförmige Konfiguration aufweisen.The fuel element must have at least one preferably but have at least three evenly spaced grooves to provide adequate separation of the gases. Preferably the grooves extend from the top of the fuel section down to the lower header section, they can run in a straight line, or they can be vertical, spiral or helical Have configuration.

Die Tiefe der Nuten, d. h. der Abstand zwischen der heißen oder Brennstoff-Kernoberfläche und der kühleren oder Überzugsfläche muß ausreichen, um eine örtliche Radial-Ternperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff und dem Überzug vorzusehen, um so eine Trennung zwischen den ein hohes Molekulargewicht besitzenden Spaltproduktgasen und dem ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Wärmeübertragungsgas zu ergeben. Es wurde festgestellt, daß eine Temperaturdifferenz von mindestens 60⁰C zwischen den heißen und kalten Wänden ausreicht, um die Bedingungen für die thermische Diffusion verbunden mit der Trennung der Komponentengase vorzusehen. Die exakte Kanaltiefe hängt von dem speziellen verwendeten Brennstoffmaterial, der Breite des Ringraums, der thermischen Leitfähigkeit des Überzugsmaterials und anderen Faktoren ab. Im allgemeinen sollte die Nutentiefe, d. h.The depth of the grooves, ie the distance between the hot or fuel core surface and the cooler or coating surface, must be sufficient to provide a local radial temperature difference between the fuel and the coating so as to provide a separation between the high molecular weight fission product gases and the to give a low molecular weight heat transfer gas. It has been found that a temperature difference of at least 60 ^° C. between the hot and cold walls is sufficient to provide the conditions for thermal diffusion associated with the separation of the component gases. The exact channel depth will depend on the particular fuel material used, the width of the annulus, the thermal conductivity of the coating material, and other factors. In general, the groove depth, ie

- /14 · - / 14

der Abstand zwischen den heißen und kühleren Oberflächen mindestens 0,005 cm (0,002") und nicht mehr als 0,254 cm (0,1") betragen, um den Beginn von Konvektionsgaseffekten in der Nut zu vermeiden. Die Breite des Kanals kann von ungefähr 0,05 cm (0,002") bis ungefähr 1 cm (0,4") variieren, und zwar abhängig von dem Innenumfang des Überzugs und der Anzahl der Nuten.the distance between the hot and cooler surfaces is at least 0.005 cm (0.002 ") and no more than 0.254 cm (0.1 ") to avoid the onset of convection gas effects to avoid in the groove. The width of the channel can vary from about 0.05 cm (0.002 ") to about 1 cm (0.4"), depending on the inner circumference of the coating and the number of grooves.

Ein geeignetes Gettermaterial zur Sorption bestimmter Spalt-A suitable getter material for the sorption of certain cleavage

132 produktgasarten, wie beispielsweise Cesium aus dem Zerfall132 types of product gas, such as cesium from decay

133
von Xenon sind Zikonmetallstückchen. Dieses Material kann im Akkumulator oder Sammlerabschnitt in Form von diskreten Teilchen vorgesehen sein oder aber es kann als ein Überzug auf der Abschnittswand vorgesehen sein. Alternativ kann das Gettermaterial im Akkumulator in der Form einer vertikalen offenen zylinderförmigen porösen Hülse vorhanden sein, die das Brennstoffmaterial anstelle des Tragschenkels 18 stützen würde.133
of xenon are bits of zirconium metal. This material can be provided in the accumulator or collector section in the form of discrete particles or it can be provided as a coating on the section wall. Alternatively, the getter material in the accumulator may be in the form of a vertically open cylindrical porous sleeve that would support the fuel material in place of the support leg 18.

Das folgende die Durchführbarkeit der Erfindung dartuende Experiment verwendet einen einzigen Kanal, um die Ansammlung von Spaltgasen mit hohem Melukulargewicht innerhalb des Brennstoff/Überzugs-Spalts in einer Kernbrennstoffstange zu minimieren. The following experiment demonstrating the feasibility of the invention uses a single channel to divert the accumulation of high molecular weight fission gases within the fuel / coating gap to minimize in a nuclear fuel rod.

Eine simulierte BrennstoffStangenvorrichtung wurde konstruiert, die aus einer einzigen Bohrung bestand, und zwar einer 228 cm langen Aluminiumoxydstange innerhalb eines Aluminiumüberzugsrohrs. Abstandselemente wurden an dem AIpO., "Brennstoff" befestigt, um einen nominellen radialen Brennstoff/ Überzugs-Spalt von 0,063 cm aufrecht zu erhalten. Ein Metallheizdraht wurde längs der Achse der Brennstoffbohrung angeordnet. Die Temperaturen der Brennstoffoberfläche und der Mittellinie wurden durch Thermoelemente überwacht, die annähernd 8 cm gegenüber dem Boden und der Oberseite des Brennstoffsta-A simulated fuel rod device was constructed which consisted of a single bore, namely a 228 cm long aluminum oxide rod within an aluminum cover tube. Spacer elements were attached to the AIpO., "Fuel" attached to maintain a nominal radial fuel / coating gap of 0.063 cm. A metal heating wire was placed along the axis of the fuel well. The temperatures of the fuel surface and the center line were monitored by thermocouples positioned approximately three inches from the bottom and top of the fuel sta-

• Al- • Al-

pels angeordnet waren. Gasprobenöffnungen wurden am Boden und am oberen Ende des Plenums des Aluminiumrohrs vorgesehen. Das Äußere des Aluminiumrohres wurde wassergekühlt und auf eine Temperatur von 20 bis 25⁰C (Einlaß zu Auslaß) gehalten, um einen horizontalen Temperaturgradienten zwischen den "Brennstoff" und "Überzugs"-Oberflachen vorzusehen. Die Ergebnisse der beiden Experimente sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.pels were arranged. Gas sampling ports were provided at the bottom and top of the plenum of the aluminum tube. The exterior of the aluminum tube was water cooled and maintained at a temperature of 20 to 25 ^0C (inlet to outlet) to provide -Oberflachen a horizontal temperature gradient between the "fuel" and "coating". The results of the two experiments are summarized in the following table.

Tabelle
(At.% Xe) Rest HeTabel
(At.% Xe) remainder He

Gas- Gaskom- Gaskom- Obere C.L. Untere CL. druck ponente ponente Temperatur Temperatur Kommentare (MPa) (OBEN) (UNTEN) (K) (K) Gas- Gaskom- Gaskom- Upper CL Lower CL. pressure component component temperature temperature comments (MPa) (TOP) (BOTTOM) (K) (K)

11,7% Xe Ausgangsgas*
80W/m Leistungseingang11.7% Xe starting gas *
80W / m power input

Null Stunden*Zero hours * 0,520.52 11,711.7 11,711.7 320320 317317 96 Stunden96 hours 0,310.31 10,110.1 26,826.8 318318 325325 52% Xe Ausgangsgas52% Xe source gas 89 W/m Leistungseingang89 W / m power input Null StundenZero hours 0,350.35 5252 5252 371371 366366 18 Stunden18 hours 0,350.35 2525th 9696 344344 563563 48 Stunden48 hours 0,240.24 2929 9999 343343 553553

* Gleichgewichtszeit: Annähernd 70 Stunden ** Gleichgewichtszeit: Annähernd 8 Stunden C.L. - Temperaturablesung an der Mittellinie* Equilibrium time: Approximately 70 hours ** Equilibrium time: Approximately 8 hours C.L. - Temperature reading on the center line

Die Ergebnisse zeigen im wesentlichen 99 % XE am Boden der Stange für eine anfängliche Startgasmischung von 48 % He: 52 % Xe, und zwar nach 48 Betriebsstunden.The results show essentially 99% XE at the bottom of the rod for an initial starting gas mixture of 48 % He: 52% Xe after 48 hours of operation.

Man erkennt, daß die Kanäle im Brennstoffelement in Verbindung mit der Anordnung eines Akkumulators am Boden einer Brennstoffstange dazu dienen, die Spaltgasprodukte (d.h. Xe und Kr) mit höherem Molekulargewicht zurück während des Brennstoffsverbrauchs zu sammeln, wobei erreicht wird, daß ein höhere Heliumgaskonzentration an der höchsten Leistungszone (d.h. nahe der Mitte) der Brennstoffstange verbleibt. Dies erhöht die Spaltleitfähigkeit in dieser Zone und senkt die Brennstoffmittellinientemperatur ab. Dies hält auch das Sauerstoffpotential des Brennstoffs aufrecht, und zwar durch Minimierung des Aufbaus von Spaltprodukten innerhalb der Spaltzone, wodurch das Ausmaß der chemischen Wechselwirkung von Brennstoff/Überzug vermindert wird,It can be seen that the channels in the fuel element are connected with the arrangement of an accumulator at the bottom of a fuel rod to serve the fission gas products (i.e. Xe and Kr) with higher molecular weight back during fuel consumption to collect, whereby it is achieved that a higher helium gas concentration at the highest power zone (i.e. near the Middle) of the fuel rod remains. This increases the gap conductivity in this zone and lowers the fuel centerline temperature. This also keeps the oxygen potential of the Fuel upright by minimizing the build-up of Fission products within the fission zone, thereby reducing the extent of the fuel / coating chemical interaction,

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:In summary, the invention provides the following:

Ein Kernreaktorbrennstoffelement mit einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen dem Brennstoffmaterial und dem Überzug« Das Element besteht aus einem Außenüberzugsrohr unterteilt in einen oberen Brennstofabschnitt,der einen Mittelkern aus spaltbarem oder gemischtem spaltbaren und brütbaren Brennstoffmaterial enthält, und zwar etwas kleiner im Durchmesser als die Inneroberfläche des Überzugsrohrs und ein kleiner unterer Akkumulatorabschnitt, wobei das Überzugsrohr mit einem ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Gas gefüllt ist, um Wärme vom Brennstoffmaterial während der Bestrahlung zum Überzug zu übertragen. Eine Vielzahl von im wesentlichen Vertikalnuten im Brennstoffabschnitt erstreckt sich nach unten und steht mit dem Akkumulator oder Sammelabschnitt in Verbindung. Die Radialtiefe der Nuten reicht aus, um einen thermischen Gradienten zwischen der heißen Brennstoffoberfläche und der relativ kühleren Überzugsoberfläche vorzusehen, um so eine thermische Segregation zwischen dem ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Wärmeübertragungsgas und den ein hohes Molekulargewicht besitzenden Spaltproduktgasen erzeugt durch das Brennstoffmaterial während der Bestrahlung vorzusehen« Die Spaltproduktgase wandern zu der kühleren Überzugsoberfläche der Nut und steigen infolge Schwerkraft in den Akkumulatorabschnitt hinab, während das ein niedrigeres Molekulargewicht besitzende Gas im Brennstoffabschnitt verbleibt und auf diese Weise die Schlechterung der Wärmeübertragungseigenschaften des ein niedriges Molekulargewicht besitzendes Gases vermindert. Der Akkumulator kann auch ein Gettermaterial enthalten, um bestimmte ein hohes Molekulargewicht besitzende Gase zu sorbieren, um so deren Wiedereintritt in den Brennstoffabschnitt dann zu verhindern, wenn das Brennstoffelement kalt ist.A nuclear reactor fuel element with improved heat transfer between the fuel material and the coating «Das Element consists of an outer cover tube divided into an upper fuel section, which has a central core made of fissile or contains mixed fissile and fertile fuel material, namely slightly smaller in diameter than the inner surface of the cover tube and a smaller lower accumulator section, wherein the clad tube is filled with a low molecular weight gas to remove heat from the fuel material to be transferred to the coating during irradiation. A plurality of substantially vertical grooves in the fuel section extends downward and communicates with the accumulator or collection section. The radial depth of the grooves is sufficient to provide a thermal gradient between the hot fuel surface and the relatively cooler coating surface, so as to thermal segregation between the low molecular weight heat transfer gas and the to provide high molecular weight fission product gases generated by the fuel material during irradiation « The fission product gases migrate to the cooler coating surface of the groove and rise into the accumulator section as a result of gravity while the lower molecular weight gas remains in the fuel section, and so the deterioration in the heat transfer properties of the low molecular weight gas is reduced. The accumulator may also contain a getter material to sorb certain high molecular weight gases, so as to then to prevent their re-entry into the fuel section when the fuel element is cold.

Claims

330761ü claims

1. Nuclear reactor fuel element having a tubular outer metal coating with an inner surface and sealed top and bottom ends,

a centrally arranged, cylindrically shaped core of actinides Fuel material having an outer surface disposed within the clad tube to form a fuel section, the diameter of the outer surface being slightly smaller than the diameter of the inner surface of the coating so as to be one to provide a narrow annulus therebetween and with a low molecular weight gas sealed within the coating to improve the heat transfer during irradiation between the hot outer surface of the fuel material and the relatively cooler inner surface of the coating, with the cleavage occurring during irradiation of the fuel element of the actinide fuel material produces high molecular weight fission product gases that dissolve with the a low molecular weight gas mix and heat transfer ability reduce this gas, characterized in that a small open gas collection section is added inside the cover tube below the fuel section, and while in connection with the fuel section, and where at least one longitudinal groove is provided in one or more of the following elements, namely the inner surface of the coating and the outer surface of the fuel material, the groove extending the length of the fuel section extends away to provide communication with the gas collection section, and wherein the groove is further connected to the annulus is in connection to a local zone of increased temperature difference between the hot fuel surface and the relative cooler coating surface over the entire length of the assembly away, and finally the temperature difference

reference is sufficient to cause the radial thermal separation between the low molecular weight Gas and the high molecular weight fission product gases is produced, whereby the a high Molecular weight fission product gases migrate to the cooler coating surface as a result of thermal diffusion and descending by gravity down the surface to the lower collection section, while the low molecular weight possessing gas remains in the upper fuel section, in which way the high molecular weight gas of the low molecular weight heat transfer gas is separated, thereby increasing the heat transfer properties of the heat transfer gas can be maintained.

2. The fuel element of claim 1, wherein the fuel section of the fuel has at least three evenly spaced longitudinal groove means.

3. The fuel element of claim 2, wherein the difference in temperature between the hot fuel surface and the relatively cooler coating surface on the groove means is at least 60 ° C.

4. Fuel element according to one or more of the preceding claims, characterized in that the distance between the hot fuel surface and the cooler coating surface at the groove means is at least 0.005 cm.

5. Fuel element according to one or more of the preceding claims, in particular claim 4, wherein the distance between the hot fuel surface and the cooler coating surface on the groove means in the range of 0.005 cm to 0.25 cm lies.

6. Fuel element according to one or more of the preceding Claims, in particular claim 5, wherein the collecting section contains a getter to provide a high molecular weight React possessing fission gases to prevent their re-entry into the fuel chamber when the fuel element has cooled down.

7. The fuel element of claim 6, wherein the getter is zirconium metal is.

8. Fuel element according to one or more of the preceding Claims, particularly claim 7, wherein the groove means are located in the inner surface of the coating.

9. Fuel element according to one or more of the preceding claims, in particular claim 7, wherein the groove means in are arranged on the outer surface of the fuel material.

10. Fuel element according to one or more of the preceding claims, in particular claim 7, wherein the groove means disposed partially in the inner surface of the coating and partially in the outer surface of the fuel material.