DE6925243U

DE6925243U - CORE FUEL ELEMENT

Info

Publication number: DE6925243U
Application number: DE6925243U
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-07-03
Filing date: 1969-06-25
Publication date: 1970-02-26
Also published as: BE734801A; FR1581632A; GB1197880A

Description

rwJ^Tf¹· 410-14.699G 25.6.1969rwJ ^ Tf ¹ 410-14.699G June 25, 1969

DIpI. -Ing. R. Beetz u.DIpI. -Ing. R. Beetz et al.

Dipl.-Ing. LsmpreditDipl.-Ing. Lsmpredit Manchen 22, Stelnedorfstr. 10Manchen 22, Stelnedorfstr. 10

Commissariat ά l*Energie Atomique, Paris (Prankreich)Commissariat ά l * Energie Atomique, Paris (France)

KernbrennelementNuclear fuel assembly

Die Neuerung betrifft ein Kernbrennelement, das eine Brennstoffmasse aufweist, die von einer Metallumhüllung umgeben ist, insbesondere ein derartiges Brennelement, das für eine Verwendung in einem Reaktor mit schnellen Neutronen vorgesehen ist, in dem die Abkühlung des Reaktorkerns durch Umlauf eines flüssigen Metalls, im allgemeinen geschmolzenen Natriums, vorgenommen wird.The innovation relates to a nuclear fuel element, the one Has fuel mass, which is surrounded by a metal shell is surrounded, in particular such a fuel assembly, which is suitable for use in a reactor with rapid Neutrons are provided, in which the cooling of the reactor core by circulation of a liquid metal, in general molten sodium.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement anzugeben, dessen Umhüllung mit einer Belüftungseinrichtung versehen ist, die den Austritt der gasförmigen Spaltprodukte während der Bestrahlung des Brennstoffs erlaubt und gleichzeitig den Eintritt des flüssigen Kühlmetalls in den Innenraum der Umhüllung des Brennelements verhindert.The innovation is based on the task of specifying a fuel assembly whose casing is provided with a ventilation device is provided which prevents the gaseous fission products from escaping during the irradiation of the fuel allows and at the same time the entry of the liquid cooling metal into the interior of the cladding of the fuel assembly prevented.

Zu diesem Zweck ist ein Brennelement der eingangs ge-For this purpose, a fuel assembly of the type mentioned at the beginning

285O.3)Hd-r (6)285O.3) Hd-r (6)

ftQ 9 S *J A ftQ 9 S * YES

nannten Art gemäß der Neuerung dadurch gekennzeichnet, daß am Oberende der länglichen, vertikalen Umhüllung nacheinander von unten nach oben eine erste Kammer, die vom Brennstoff durch eine Trennwand getrennt ist, die ein Rohr zum Durchtritt der Spaltproduktgase aufweist, das sich in den Innenraum der ersten Kammer erstreckt, und die durch eine Decke begrenzt ist, die mindestens eine Öffnung hat, die einen Mikroauslaß für ein viskoses Fluid bildet, das in einer zweiten Kammer über der ersten Kammer enthalten ist, und eine dritte Kammer angeordnet sind, die eine Verbindungsleitung, die an die zweite Kammer angeschlossen ist und sich in den Innenraum der dritten Kammer erstreckt, und zum Entweichen der Spaltproduktgase aus der dritten Kammer Löcher aufweist, die sich in der Mantelfläche der Umhüllung in einer Höhe unter dem Oberende der Verbindungsleitung befinden. named type according to the innovation characterized in that at the top of the elongated, vertical envelope, one after the other from bottom to top, a first chamber, that of the fuel is separated by a partition which has a pipe for the passage of the fission product gases, which is in the Interior of the first chamber extends, and which is delimited by a ceiling which has at least one opening that forms a micro-outlet for a viscous fluid contained in a second chamber above the first chamber, and a third chamber are arranged, which is a connecting line connected to the second chamber and extends into the interior of the third chamber, and for the escape of the fission product gases from the third Chamber has holes which are located in the jacket surface of the envelope at a level below the upper end of the connecting line.

Vorzugsweise wird der Mikroauslaß durch Poren eines gesinterten Metall- oder Keramikkörpers, durch ein oder mehrere Kapillarrohre (die in jeder geeigneten Geometrie, z. B. in Schlangenform, angeordnet sein können) oder durch eine Einrichtung gebildet, die ein Rückschlagventil (z, B. eine mit einem Sitz zusammenwirkende Kugel) aufweist.Preferably, the micro outlet is through pores of a sintered metal or ceramic body, by a or multiple capillary tubes (which can be arranged in any suitable geometry, e.g. in a serpentine shape) or through a device is formed which has a check valve (e.g. a ball cooperating with a seat).

Vorteilhafterweise wird das Fluid so gewählt, daß es bei der Betriebstemperatur des Brennelements viskos und bei Temperaturen darunter pastös oder fest ist. Zweckmäßigerweise wird das Fluid durch ein einfaches Salz oder eine Salzmischung, das bzw. die bei der Betriebstemperatur schmelzbar ist, durch ein Glas, ein flüssiges Metall oder ein Eutektikum gebildet.Advantageously, the fluid is chosen so that it is viscous at the operating temperature of the fuel assembly and pasty or solid at temperatures below this. Appropriately the fluid is replaced by a simple salt or mixture of salts that is at the operating temperature is fusible, formed by a glass, a liquid metal or a eutectic.

Die Neuerung soll anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert werden, in der ein Querschnitt durch das Oberende eines Ausführungsbeispiels des Brennelements gemäß der Neuerung abgebildet ist.The innovation will be explained in more detail with reference to the single figure of the drawing, in which a cross section through the top of an embodiment of the fuel assembly is shown according to the innovation.

Das abgebildete Brennelement hat eine metallische Umhüllung 1 in Form eines länglichen, vertikal verlaufenden Zylinders, der an seinem Oberende durch eine Deckfläche 2 verschlossen ist, wobei die Umhüllung übereinander gestapelte Pellets 3 aus einem geeigneten Brennstoff, insbesondere aus einem keramischen Material wie Uranoxyd und/oder Plutoniumoxyd umgibt.The fuel assembly shown has a metallic cladding 1 in the form of an elongated, vertically extending Cylinder, which is closed at its upper end by a cover surface 2, the casing on top of one another stacked pellets 3 made of a suitable fuel, in particular made of a ceramic material such as uranium oxide and / or surrounds plutonium oxide.

Zwischen dem Brennstoff und der Deckfläche 2 der Umhüllung ist ein Raum freigelassen, der durch drei Trennwände 4, 5 und 6 in drei benachbarte und übereinanderliegende Kammern 7» 8 bzw. 9 unterteilt ist.A space is left free between the fuel and the top surface 2 of the casing, through three partition walls 4, 5 and 6 is divided into three adjacent and superimposed chambers 7 »8 and 9, respectively.

Durch die Trennwand h verläuft ein Rohr 10, das sich bis zu einer größeren Höhe in den Innenraum der ersten Kammer 7 erstreckt, so daß ständig die Verbindung mit dem Inneren des in der Umhüllung 1 vorgesehenen Raums für die Brennpellets 3 gewährleistet ist. Ebenso ist die Trennwand 5 genau in ihrer Mitte mit einem Stutzen 11 versehen, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen axialen Mikroauslaß 12 trägt, der insbesondere durch ein Kapillarrohr oder ein ähnliches Bauelement gebildet ist. Der Stutzen 11 kann auch aus einem gesinterten Keramikoder Metallwerkstoff bestehen, der eine geeignete Porosität aufweist.A tube 10 extends through the partition h and extends up to a greater height into the interior of the first chamber 7, so that the connection with the interior of the space provided in the casing 1 for the fuel pellets 3 is guaranteed at all times. Likewise, the partition wall 5 is provided exactly in its center with a connecting piece 11 which, in the present exemplary embodiment, carries an axial micro-outlet 12, which is formed in particular by a capillary tube or a similar component. The connecting piece 11 can also consist of a sintered ceramic or metal material which has a suitable porosity.

Die über der Kammer 7 vorgesehene zweite Kammer 8, die durch die Trennwände 5 und 6 begrenzt ist, ist teilweise mit einem flüssigen Fluid 13 gefüllt, das eine bestimmte Viskosität bei der Betriebstemperatur des Brennelements hat und so gewählt ist, daß die Viskosität bei einem Temperaturabfall ansteigt, so daß das Fluid evtl. erstarrt. Durch die Trennwand 6 verläuft eine Leitung 14, die die Kammern 8 und 9 verbindet, wobei letztere Kammer normalerweise mit einer geeigneten Schutzgasatmosphäre,The second chamber 8, which is provided above the chamber 7 and is delimited by the partition walls 5 and 6, is partially filled with a liquid fluid 13 which has a certain viscosity at the operating temperature of the fuel element and is selected so that the viscosity occurs when the temperature drops increases, so that the fluid may solidify. A line 14, which connects the chambers 8 and 9 , runs through the partition 6, the latter chamber normally being provided with a suitable protective gas atmosphere,

.. wie Argon oder insbesondere Helium gefüllt ist.how argon or especially helium is filled.

Das Brennelement hat außerdem in der MantelflächeThe fuel assembly also has in the jacket surface

der Umhüllung 1 mehrere in den Innenraum der dritten Kam-the envelope 1 several in the interior of the third chamber

"»er 9 verlaufende Löcher oder Öffnungen 15, die gleich"» He 9 running holes or openings 15 that are the same

mäßig auf dem Umfang der Umhüllung 1 in einer Höhe bebe moderately on the circumference of the envelope 1 at a height trächtlich unter der Höhe des Oberendes der Leitung 14considerably below the level of the top of the line 14

[ verteilt sind. Aus der Zeichnung ist ferner ersichtlich.[ are distributed. The drawing can also be seen.

daß das Brennelement mit seiner Umhüllung 1 in ein Fluidthat the fuel assembly with its cladding 1 in a fluid 16 eingetaucht ist, das vorzugsweise ein flüssiges Me16 is immersed, which is preferably a liquid Me tall, insbesondere geschmolzenes Natrium ist, wobei dastall, especially molten sodium, where the

j Brennelement insbesondere für einen Reaktor mit schnelj fuel element especially for a reactor with fast

len Neutronen vorgesehen ist, in dem ein derartiges flüssiges Metall durch seinen Umlauf die notwendige Kühlung des Reaktorkerns gewährleistet.len neutrons is provided in which such a liquid metal provides the necessary cooling through its circulation of the reactor core guaranteed.

Das beschriebene Brennelement arbeitet folgendermaßen: Während des Betriebs bei der Betriebstemperatur wird durch die Bestrahlung der Brennpellets 3 ein großes Volumen an Spaltproduktgasen freigesetzt, die sich im Oberende der Umhüllung 1 ansammeln. Diese Spaltproduktgase strömen unter diesen Bedingungen durch die Trennwand h über das Rohr 10 und werden in der ersten Kammer 7 gesammelt, die sie allmählich in dem Maße füllen, wie der erreichte Druck das viskose Fluid 13, das vorher in die Kammer 7 aus der Kammer 8 über den Mikroauslaß geströmt ist, in umgekehrter Richtung durch den gleichen Mikroauslaß zurückdrückt. Wenn der Fluidpegel das Unterende des Stutzens 11 erreicht, können die Spaltproduktgase frei und kontinuierlich zur Kammer 8 entweichen, wo sie erneut gesammelt werden. Die Gase entweichen anschließend aus der Kammer 8 durch die Leitung 14 und werden in der dritten Kammer 9' gesammelt, indem sie sich mit der Schutzgasatmosphäre mischen, die in der Kammer 9 enthalten ist und insbesondere verhindern soll, daß das flüssige Metall 16, das in dieseThe fuel element described works as follows: During operation at the operating temperature, the irradiation of the fuel pellets 3 releases a large volume of fission product gases which collect in the upper end of the casing 1. These fission product gases flow under these conditions through the partition wall h via the pipe 10 and are collected in the first chamber 7, which they gradually fill to the same extent as the pressure reached the viscous fluid 13, which was previously in the chamber 7 from the chamber 8 has flowed through the micro-outlet is pushed back in the opposite direction through the same micro-outlet. When the fluid level reaches the lower end of the nozzle 11, the fission product gases can freely and continuously escape to the chamber 8, where they are collected again. The gases then escape from the chamber 8 through the line 14 and are collected in the third chamber 9 'by mixing with the protective gas atmosphere that is contained in the chamber 9 and in particular is intended to prevent the liquid metal 16, which is in these

Kammer 9 durch die Öffnungen 15 eindringt, die Höhe des
Oberendes der Leitung 14 erreicht und durch diese in die Kammer 8 gelangt. Das Gasvolumen in der Kammer 9 steigt
so allmählich an, wodurch gleichzeitig der Pegel des flüssigen Metalls 16 bis zu einer Höhe sinkt, in der die Öffnungen 15 erreicht werden, so daß das endgültige Entweichen der Spaltproduktgase aus der Umhüllung 1 nach außen jetzt ungehindert vor sich geht. Iu der Zeichnung zeigen Pfeile schematisch die Grasströmung aus dem Brennelement an·Chamber 9 penetrates through the openings 15, the height of the
Reaches the top of the line 14 and enters the chamber 8 through it. The gas volume in the chamber 9 increases
so gradually on, whereby at the same time the level of the liquid metal 16 drops to a level in which the openings 15 are reached, so that the final escape of the fission product gases from the envelope 1 to the outside is now unhindered. In the drawing, arrows schematically indicate the grass flow from the fuel assembly

Durch die Neuerung wird also ein belüftbares Brennelement mit sehr einfachem Aufbau angegeben, das eine kontinuierliche Abfuhr der Spaltproduktgase ermöglicht, obwohl in umgekehrter Richtung das Eindringen des flüssigen Metalls zur Kühlung der Umhüllung in den Innenraum der Umhüllung vermieden wird. Das viskose Fluid 13, das in der Zwischenkammer 8 enthalten ist, als zusätzliche Sperre und zusammen mit dem Mikroauslaß als Abblasventil für die
Spaltproduktgase dient, kann durch ein einziges Salz, ein Salzgemisch (insbesondere Glas), ein Metall, eine Legierung oder ein Eutektikum (Blei, Wismut, Indium usw.) gebildet werden, das bei der Betriebstemperatur des Brennelements schmelzbar ist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei etwa 550 ⁰C.The innovation thus provides a ventable fuel element with a very simple structure that enables the fission product gases to be continuously removed, although in the opposite direction the penetration of the liquid metal for cooling the casing into the interior of the casing is avoided. The viscous fluid 13, which is contained in the intermediate chamber 8, as an additional barrier and together with the micro outlet as a blow-off valve for the
Fission product gases is used, can be formed by a single salt, a salt mixture (in particular glass), a metal, an alloy or a eutectic (lead, bismuth, indium, etc. ), which can be melted at the operating temperature of the fuel assembly, in the present embodiment at about 550 ⁰ C.

Vorteilhafterweise ist dieses Fluid bei der Betriebstemperatur viskos, wobei seine Viskosität bei einer Temperaturerniedrigung so stark ansteigt, daß es pastös wird oder sogar erstarrt. Das führt zu einer Verringerung der Übergangszeit, die einer Nichtbetriebsphase des Brennelements entspricht, während der das Fluid durch den Mikroauslaß in die erste Kammer in entgegengesetzter Richtung zu der normalen Richtung des Ausströmens der Spaltproduktgase strömt. Auf jeden Fall sind die Länge der LeitungenThis fluid is advantageously at the operating temperature viscous, its viscosity increasing so sharply when the temperature drops that it becomes pasty or even froze. This leads to a reduction in the transition time, that of a non-operational phase of the fuel assembly corresponds, during which the fluid through the micro outlet into the first chamber in the opposite direction flows to the normal direction of the outflow of the fission product gases. Definitely the length of the lines

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oder Rohre zur Verbindung und das Volumen dieser Kammer so gewählt, daß unter allen Umständen ein Einströmen des viskosen Fluids in den Bereich der Umhüllung verhindert wird, der den Brennstoff enthält.or pipes for connection and the volume of this chamber selected so that under all circumstances an inflow of the viscous fluid is prevented in the area of the envelope which contains the fuel.

Claims

Protection sayings

1. Nuclear fuel element, as s contains a fuel mass which is surrounded by a metal cladding, characterized in that at the top of the elongated, vertical cladding (i) one after the other from bottom to top a first chamber (7), which is from the fuel (3 ) is separated by a partition (h) which has a pipe (1O) for the flow of the fission product gases, which extends into the interior of the first chamber, and which is delimited by a ceiling (5) which has at least one opening (12) has, which forms a micro-outlet for a viscous fluid (13), which is contained in a second chamber (8) above the first chamber, and a third chamber (9) are arranged, the a connecting line (i4) to the second Chamber is connected and extends into the interior of the third chamber, and for the escape of the fission product gases from the third chamber holes (15) which are located in the jacket surface of the envelope at a level below the upper end of the connecting line. ^

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that that the micro outlet (12) is formed by the pores of a sintered body.

3 fuel element according to claim 1, characterized in that that the micro outlet (12) through at least one capillary tube is formed. y '

k. Fuel element according to Claim 1, characterized in that the micro-outlet is formed by a check valve

yy..;. a 2 4^1yy ..;. a 2 4 ^ 1

5. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (13) so gewählt ist, daß es bei der Be triebstemperatur des Brennelements viskos und bei einer niedrigeren Temperatur pastös5. Fuel element according to claim 1, characterized in that the fluid (13) is chosen so that it is at the loading operating temperature of the fuel assembly viscous and pasty at a lower temperature

6. Brennelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeich net, daß das Fluid (13) durch ein Salz gebildet ist, das bei der Betriebstemperatur schmelzbar ist.^6. Fuel assembly according to claim 5 »marked thereby net that the fluid (13) is formed by a salt which is meltable at the operating temperature. ^

7. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das Fluid (13) durch ein Glas gebildet ist./7. Fuel element according to claim 5, characterized in that the fluid (13) is formed by a glass./

8. Brennelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeich net, daß das Fluid (13) durch flüssiges Metall gebildet _f ist.8. Fuel element according to claim 5 »characterized in that the fluid (13) is formed by liquid metal _f .

9. Brennelement nach Anspruoh 5» dadurch gekennzeich net, daß das Fluid (13) durch ein Eutektikum gebildet ist.9. Fuel element according to Anspruoh 5 »characterized in that the fluid (13) is formed by a eutectic.