DE1090786B - Nuclear reactor fuel element - Google Patents

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einem Kern, der nicht an die Wärmeübertragungsfläche des Brennstoffelements grenzt und der einen Brutstoff und ursprünglich im wesentlichen keinen Spaltstoff enthält, und aus einem an den Kern angrenzenden äußeren Teil, der an die Wärmeübertragungsfläche grenzt und der ursprünglich im wesentlichen den gesamten Spaltstoff enthält.The invention relates to a nuclear reactor fuel element, consisting of a core that does not adhere to the Heat transfer surface of the fuel element adjoins and the one breeding material and originally in the contains essentially no fissile material, and an outer part adjoining the core, which is connected to the Adjacent heat transfer surface and which originally contains essentially all of the fissile material.

Ein solches Element bildet den Gegenstand eines älteren Patentes, das indessen nicht veröffentlicht ist.Such an element forms the subject of an earlier patent which, however, has not been published.

Erfindungsgemäß beträgt das \^olumen des äußeren Teiles 1,0 bis 40% des Gesamtvolumens des Brennstoffes (ohne Umhüllung).According to the invention, the volume of the outer Part 1.0 to 40% of the total volume of the fuel (without coating).

Die Atome gewisser Elemente, z. B. U²³³, U²³⁵ und Pu²³⁹, werden bekanntlich zerspalten, wenn Neutronen ihren Kern treffen. Es entstehen zwei oder mehr Spaltungsprodukte von geringerem Molekulargewicht, und es werden Neutronen freigesetzt.The atoms of certain elements, e.g. B. U ²³³ , U ²³⁵ and Pu ²³⁹ , are known to split when neutrons hit their nucleus. Two or more lower molecular weight fission products are formed and neutrons are released.

Die Spaltungsprodukte teilen ihre hohe Bewegungsenergie den Molekülen und Atomen der Umgebung mit, wodurch diese erwärmt werden. Die Bildung von Neutronen ist die Grundlage für die Kettenreaktion. Alle Arten von Reaktoren bestehen aus einem Spaltstoff als »Brennstoff« des Reaktors, einem Kühl- oder Wärmeübertragungsmittel, das der Kühlung dient, und einem Leistungsregler. Im Laufe der Zeit werden die Spaltstoffe »verbraucht« und müssen ausgewechselt werden.The fission products share their high kinetic energy with the molecules and atoms in the environment with, which heats them up. The formation of neutrons is the basis for the chain reaction. All types of reactors consist of a fissile material as the "fuel" of the reactor, a cooling or Heat transfer medium used for cooling and a power regulator. Over time will be the fissile materials "used up" and must be replaced.

Das Auswechseln der Spaltstoffe kann verzögert und in einigen Fällen sogar vermieden werden, wenn die Kernreaktion aus einem Brutstoff ein neues spaltbares Atom für jedes bei der Reaktion verbrauchte Atom liefert. Th²³² und U²³⁸ sind solche Brutstoffe. Th²³² geht durch Abfangen von Neutronen und Abgabe von Beta-Teilchen in U²³³ über, das spaltbar ist. U²³⁸ wird auf die gleiche Weise in Pu²³⁹, das ebenfalls spaltbar ist, verwandelt. Die Anwesenheit solcher Brutstoffe im Kernbrennstoff gestattet die Umwandlung von nichtspaltbaren in spaltbare Atome. Auf diese Weise regeneriert sich der Spaltstoff, während er »verbraucht« wird.The replacement of fissile materials can be delayed and in some cases even avoided if the nuclear reaction produces a new fissile atom for every atom used in the reaction from a breeding material. Th ²³² and U ²³⁸ are such breeding materials. By intercepting neutrons and releasing beta particles, Th ^{232 changes into U 233} , which is fissile. U ^{238 is transformed into Pu 239} , which is also fissile, in the same way. The presence of such fertilizers in the nuclear fuel allows the conversion of non-fissile to fissile atoms. In this way, the fissile material regenerates itself while it is "used up".

Die Erfindung löst nun die Aufgabe, ein Kernreaktor-Brennstoffelement zu schaffen, das sowohl spaltbare als auch Brutstoff-Atome enthält.The invention now solves the problem of a nuclear reactor fuel element to create that contains both fissile and fertile atoms.

In schnellen Brutreaktoren, in denen die Kettenreaktion durch schnelle Neutronen, deren Anfangsgeschwindigkeit nicht wesentlich gebremst worden ist, ausgelöst wird, ist ein Verhältnis von spaltbaren zu Brutstoff-Atomen von 1 : 5 erwünscht.In fast breeder reactors, in which the chain reaction is caused by fast neutrons, the initial speed of which has not been slowed down significantly, is triggered, a ratio of fissile to breeding material atoms of 1: 5 is desirable.

Für thermische Reaktoren, in denen die Kettenreaktion durch sehr langsame Neutronen mit geringen thermischen Energien verursacht wird, liegt das günstige Verhältnis bei 1 :100. In jedem Fall ist es wünschenswert, den Reaktor mit der entsprechendenFor thermal reactors in which the chain reaction is caused by very slow neutrons with low thermal energies, the favorable ratio is 1: 100. In any case it is desirable to equip the reactor with the appropriate

Kernreaktor-BrennstoffelementNuclear reactor fuel element

Anmelder:Applicant:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)General Electric Company,
Schenectady, NY (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. M. Licht, München 2, Sendlinger StT. 55,
und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal), PatentanwälteDipl.-Ing. M. Licht, Munich 2, Sendlinger StT. 55,
and Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal), patent attorneys

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Februar 1958Claimed priority:
V. St. v. America February 28, 1958

Karl Paley Cohen, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt wordenKarl Paley Cohen, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.),
has been named as the inventor

Höchstleistung zu betreiben, damit nur ein Mindestmaß des kostspieligen Spaltmaterials benötigt wird. Dadurch wird jedoch die Schwierigkeit der Wärmeübertragung vergrößert, d. h. der Wärme, die während der Reaktion frei wird, da die Wärmeleitfähigkeit der meisten Brutstoffe gering ist. Das gilt besonders für ThO₂ und in geringerem Maße für UO₂. Bei hohen Leistungen übersteigt die Höchsttemperatur im Innern der Brennstoffelemente, die erforderlich ist, um die frei werdende Wärme an das Kühlmittel abzuführen, oft den Schmelzpunkt des Spaltstoffes. ThO₂ schmilzt oberhalb von 2816° C und UO₂ bei etwa 2482° C. Die Schwierigkeiten bei der Zusammensetzung des Spaltstoffes sind daher einleuchtend.To operate at maximum performance so that only a minimum of the costly fissile material is required. However, this increases the difficulty of heat transfer, ie the heat that is released during the reaction, since the thermal conductivity of most breeding materials is low. This is especially true for ThO ₂ and to a lesser extent for UO ₂ . At high powers, the maximum temperature inside the fuel elements, which is required to dissipate the heat released to the coolant, often exceeds the melting point of the fissile material. ThO ₂ melts above 2816 ° C and UO ₂ at around 2482 ° C. The difficulties in the composition of the fissile material are therefore obvious.

Die verschiedenen Versuche, die zur Überwindung dieser Schwierigkeiten bereits unternommen wurden, erwiesen sich als nicht erfolgreich. Eines der Verfahren sieht die Herstellung von Brennstoffelementen vor, die entweder spaltbare oder Brutstoff-Elemente enthalten. Dieses Verfahren macht aber nicht den denkbar besten Gebrauch von der Wärmeübertragungsfläche. Zu Beginn des Betriebes liefern die Elemente aus Brutstoff einen wesentlich kleineren Anteil der Gesamtleistung als später, wenn sie mit spaltbaren Stoffen angereichert sind. Ein anderes Verfahren verwendet sehr dünne Spaltstoffstäbe, die eine große Wärmeübertragungsfläche im Verhältnis zum Volumen liefern und auf diese Weise die erforderliche Höchsttemperatur bei gegebener Leistung und gegebener Wärmeübertragung herabsetzen. Derartige Spaltstoffstäbe sind aber außerordentlich kostspielig.The various attempts that have already been made to overcome these difficulties proved unsuccessful. One of the processes is the manufacture of fuel elements before that either fissile or breeding material elements contain. However, this method does not make the best possible use of the heat transfer surface. At the beginning of operation, the elements made from breeding material provide a much smaller proportion the overall performance than later when they are enriched with fissile materials. Another method used very thin fissile material rods that have a large heat transfer area in relation to the volume deliver and in this way the required maximum temperature for a given power and a given Reduce heat transfer. Such fissile material rods are extremely expensive.

009 627/339009 627/339

Ihre hohen Kosten beruhen zum Teil auf den mit der Herstellung verbundenen Schwierigkeiten und zum Teil auf der Tatsache, daß der Umfang der Verkleidung, die zum Schutz des Spaltstoffes notwendig ist, mit der Wärmeübertragungsfläche wächst. Ein drittes Verfahren, die erwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, verwendet Drähte aus Materialien mit großer Leitfähigkeit in den Spaltstoffeinheiten. Auch dieser Versuch bringt ein verwickeltes Herstellungsverfahren mit sich und verringert notwendigerweise den Anteil von spaltbaren Stoffen und Brutstoffen je Volumeinheit des Elementes.Their high cost is due in part to the difficulties involved in manufacturing and to the Part of the fact that the amount of cladding necessary to protect the fissile material grows with the heat transfer surface. A third method of overcoming the difficulties mentioned, uses wires made of materials with high conductivity in the fissile material units. Also this one Trial involves an intricate manufacturing process and necessarily reduces the proportion of fissile materials and breeding materials per unit volume of the element.

Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung wird ein längerer Stab aus elementarem U²³⁸ oder Th²³² oder aus einer Verbindung dieser Elemente, z. B. deren Oxyden, als Brutstoff mit einer entsprechend dicken Schicht aus einem spaltbaren Element, z. B. U²³⁵, versehen. Die Stärke der umgebenden spaltbaren Schicht hängt von der Menge des Brutstoffes im Stab und dem gewünschten Verhältnis von spaltbarem Stoff zu Brutstoff ab. Die Brutstoffe können, wenn gewünscht, die Form einer Röhre haben, durch deren Mitte das Kühlmittel fließt. Sowohl die innere wie die äußere Fläche der Röhre wird mit einer Schicht aus spaltbarem Material versehen. Die Brennstoffelemente können ebenso einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wenn dies vorzuziehen ist. Außerdem soll noch eine Umhüllung vorgesehen sein, die die Wärmeübertragungsfläche des Brennstoffelementes nach der Erfindung vor Korrosion durch das Kühlmittel oder den flüssigen Moderator bewahrt.In one embodiment according to the invention, a longer rod of elementary U ²³⁸ or Th ²³² or a combination of these elements, e.g. B. their oxides, as breeding material with a correspondingly thick layer of a fissile element, z. B. U ²³⁵ provided. The thickness of the surrounding fissile layer depends on the amount of breeding material in the rod and the desired ratio of fissile material to breeding material. The breeding material can, if desired, be in the form of a tube through the center of which the coolant flows. Both the inner and outer surfaces of the tube are provided with a layer of fissile material. The fuel elements can also be non-circular in cross-section if preferred. In addition, a casing should be provided which protects the heat transfer surface of the fuel element according to the invention from corrosion by the coolant or the liquid moderator.

Während des Betriebes erzeugt ein derartiges Brennstoffelement beinahe die gesamte Wärme in der äußeren Schicht aus spaltbarem Material, die unmittelbar an die Wärmeübertragungsfläche grenzt. Hohe Innentemperaturen werden also nicht benötigt und auch nicht erzeugt. Selbst nach längerer Strahlung liegt die Innentemperatur des Spaltstoffes um 300% unterhalb der Temperatur, die ein Spaltstoff aus einer homogenen Mischung aus spaltbarem Stoff und Brutstoff besitzt, und dessen Masse einem Brennstoffelement nach der Erfindung entspricht und mit der gleichen Leistung betrieben wird. Außerdem enthält ein homogenes Th 0.,-U²³⁵O₀-Brennstoffelement nach 10 000 Megawatt-Tagen je" Tonne etwa 3% U²³³O₂, während der Th O₂-Brutstoffkern des geschichteten Brennstoffelementes nach der Erfindung nur etwa 1% U²³³O₂ enthält.During operation, such a fuel element generates almost all of the heat in the outer layer of fissile material which is directly adjacent to the heat transfer surface. High internal temperatures are therefore neither required nor generated. Even after prolonged radiation, the internal temperature of the fissile material is 300% below the temperature that a fissile material made of a homogeneous mixture of fissile material and breeding material has, and whose mass corresponds to a fuel element according to the invention and is operated with the same power. In addition, a homogeneous Th 0., - U ²³⁵ O ₀ fuel element contains about 3% U ²³³ O ₂ per ton after 10,000 megawatt days, while the Th O ₂ core of the stratified fuel element according to the invention only contains about 1% U ²³³ contains O _2.

Die höchstzulässige thermische Leistung ist bei dem geschichteten Spaltstoff nach der Erfindung anfänglich 60mal so groß wie bei dem üblichen homogenen und angereicherten Th O₀-Brutstoff, und sogar nach längerem Betrieb ist sie immer noch annähernd dreimal so groß. Die höchstzulässige thermische Leistung wird durch den Schmelzpunkt des Stoffes im Innern des Brennstoffelementes bestimmt. Bei dem neuartigen Spaltstoff nach der Erfindung bleibt die Wärmeübertragungsnutzung, d. h. die Wärmeübertragung je Flächeneinheit, die gleiche. Im Gegensatz hierzu weisen Brutstoffe ohne die eine Schicht aus einem spaltbaren Element eine Veränderung der Wärmeübertragungsnutzung in Abhängigkeit von der Zeit auf, und der Fluß des Wärmeübertragungs- oder Kühlmittels muß also veränderlich oder regulierbar sein, damit die größte Wärmeübertragungsnutzung gesichert ist.The maximum permissible thermal power in the case of the stratified fissile material according to the invention is initially 60 times as great as with the usual homogeneous and enriched Th O ₀ breeding material, and even after prolonged operation it is still approximately three times as great. The maximum permissible thermal output is determined by the melting point of the substance inside the fuel element. In the novel fissile material according to the invention, the heat transfer utilization, ie the heat transfer per unit area, remains the same. In contrast, without the one layer of fissile element, breeding material exhibits a change in heat transfer utilization with time, and the flow of heat transfer or coolant must therefore be variable or controllable in order to ensure the greatest heat transfer utilization.

Die Vorteile der Erfindung werden in einem etwas abgeschwächten Maße verwirklicht, obwohl das spaltbare Material nicht vollständig von dem Brutstoff getrennt und in der den B rutstoff kern umgebenden Schicht enthalten ist, weil die erreichbare Leistung durch die Verteilung des spaltbaren Materials am Ende des Betriebes begrenzt ist. Erfindungsgemäß ergibt sich dadurch der beste Wirkungsgrad, daß der äußere Teil 1 bis 40% des Gesamtvolumens des Brennstoffes (ohne Umhüllung) enthält. Dadurch wird eine leichtere Herstellung ermöglicht, und die örtlichen Strahlungswirkungen werden herabgesetzt. Die spaltbaren Elemente können beispielsweise mit gutemThe advantages of the invention are realized to a somewhat weakened degree, although the fissile Material not completely separated from the breeding material and in the core surrounding the breeding material Layer is included because the achievable performance through the distribution of the fissile material on End of operation is limited. According to the invention, the best efficiency results that the outer part contains 1 to 40% of the total volume of the fuel (without coating). This will enables easier manufacture and the local radiation effects are reduced. the Fissile elements can, for example, with good

ίο Erfolg 20 Volumprozent des Gesamtvolumens (ohne Umhüllung) als äußere Schicht betragen.ίο Success 20 volume percent of the total volume (without Envelope) as the outer layer.

Obgleich die vorangegangene Beschreibung sich mit der Verwendung von Th²³² und U²³³ befaßt, lassen sich ebenso U²³⁸ und Pu²³⁹ für die Erfindung benutzen.Although the preceding description deals with the use of Th ²³² and U ²³³ , U ²³⁸ and Pu ^{239 can also be used} for the invention.

Bei der ersten Einbringung von Spaltstoffen entsteht eine vorübergehende Schwierigkeit dadurch, daß das stark angereicherte U²³⁵ von der natürlichen Uranisotopenmischung getrennt und zur Inbetriebnahme des Reaktors verwendet werden muß. Es ist billiger, die Uranisotopenmischung durch Diffusion von Gasen in die entsprechende homogene Konzentration zu fraktionieren. Bei größerer anfänglicher Anreicherung sind die Einsätze geringer. Außerdem ist Pu²³⁰ nach längerem Betrieb das endgültige, spaltbare Element des Systems in der äußeren oder spaltbaren Schicht, das sehr leicht und billig auf chemischem Wege von U²³⁸ getrennt werden kann.The first time fissile materials are introduced, a temporary difficulty arises from the fact that the highly enriched U ^{235 has to be separated} from the natural uranium isotope mixture and used to start up the reactor. It is cheaper to fractionate the uranium isotope mixture into the appropriate homogeneous concentration by diffusion of gases. If the initial enrichment is greater, the stakes are lower. In addition, ^{after prolonged operation, Pu 230 is} the final, fissile element of the system in the outer or fissile layer, which can be chemically separated ^{from U 238 very easily and cheaply.}

Die Erkenntnisse der Erfindung gestatten in Brutreaktoren die Durchführung der chemischen Trennung von U²³⁸ und Pu²³⁹ über metallurgische Entseuchung der Spaltmaterialien, z. B. durch Verschlacken mit Hilfe der Oxydation.The findings of the invention allow the chemical separation of U ²³⁸ and Pu ²³⁹ to be carried out in breeder reactors via metallurgical disinfection of the fissile materials, e.g. B. by slagging with the help of oxidation.

Die Erkenntnisse der Erfindung können leicht auf röhren- oder ringförmige Brennstoffelemente übertragen werden, die von innen und außen gekühlt werden. Es wird sowohl innen als auch außen eine Schicht aufgetragen, in der die spaltbaren Stoffe konzentriert sind. Auf diese Weise ist etwas weniger als die Hälfte des spaltbaren Stoffes in der inneren Schicht von 0,5 bis 20 Volumprozent der Röhre und etwas mehr als die Hälfte in der äußeren Schicht von 0,5 bis 20 Volumprozent des röhren- oder ringförmigen Brennstoffelementes konzentriert, wodurch ein fast gleichmäßiger Wärmefluß an der inneren wie an der äußeren Wärmeübertragungsfläche erhalten wird.The findings of the invention can easily be applied to tubular or annular fuel elements that are cooled inside and out. It becomes a layer both inside and outside applied, in which the fissile substances are concentrated. This way is a little less than half of the fissile material in the inner layer from 0.5 to 20 percent by volume of the tube and slightly more than half in the outer layer from 0.5 to 20 percent by volume of the tubular or annular fuel element concentrated, whereby an almost even flow of heat on the inner as on the outer Heat transfer surface is obtained.

Darüber hinaus sind die erläuterten Grundzüge der Erfindung auch auf flache oder gekrümmte Brennstoffelemente anwendbar, und auch in diesem Fall sollen beide Seiten der Platte mit je der Hälfte der spaltbaren Elemente versehen werden, die je in den oberflächlichen 0,5 bis 20 Volumprozent der Platte konzentriert sind.In addition, the principles of the invention explained also apply to flat or curved fuel elements applicable, and in this case too, both sides of the plate should each have half of the fissile elements are provided, each in the superficial 0.5 to 20 percent by volume of the plate are focused.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich auch für die Festsetzung der notwendigen Anzahl von Brenn-Stoffelementen im Reaktor anwenden, so daß sich das gewünschte dynamische Verhalten ergibt. Die Konzentration des spaltbaren Materials an der Oberfläche des Brennstoffelementes führt dazu, daß die im Spaltstoff erzeugte Wärme viel schneller auf das Kühlmittel übertragen wird als bei Verwendung von homogenen Spaltstoffen. Die geometrischen Gegebenheiten können so ausgerichtet werden, daß die Verzögerung bei der Übertragung der vom Spaltstoff erzeugten Wärme auf das Kühlmittel veränderlich ist.The basic idea of the invention can also be used to determine the necessary number of fuel elements apply in the reactor, so that the desired dynamic behavior results. The concentration of the fissile material on the surface of the fuel element leads to the fact that in the fissile material generated heat is transferred to the coolant much faster than when using homogeneous Fissile materials. The geometrical conditions can be aligned so that the delay is variable in the transfer of the heat generated by the fissile material to the coolant.

Außerdem verringert das geschichtete Brennstoffelement nach der Erfindung die Menge an spaltbarem Material, die für das Kritischwerden des Reaktors erforderlich ist, da dieses in dem Brennstoffelement in den Gebieten mit größerem Neutronenfluß als die Brutstoffe konzentriert ist.In addition, the layered fuel element of the invention reduces the amount of fissile Material required for the reactor to become critical as it is contained in the fuel element in the areas with a greater neutron flux than the breeding material is concentrated.

Schließlich sind auch die thermischen Spannungen, die innerhalb des Brennstoffelementes nach der Erfindung erzeugt werden, wesentlich geringer als bei einem homogenen Spaltstoff.Finally, there are also the thermal stresses that occur within the fuel element according to the invention are generated, much less than with a homogeneous fissile material.

Die Einzelheiten der Anordnung der verschiedenen Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden durch die Zeichnungen leicht verständlich. Die Zeichnungen stellen dar inThe details of the arrangement of the various embodiments of the invention will be given easy to understand thanks to the drawings. The drawings represent in

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kernreaktors mit Brennstoffelementen nach der Erfindung,Fig. 1 is a schematic view of a nuclear reactor with fuel elements according to the invention,

Fig. 2 eine Ansicht eines zum Teil im Schnitt gezeigten zylindrischen Brennstoffelementes nach der Erfindung,FIG. 2 is a view of a partially sectioned cylindrical fuel element according to FIG Invention,

Fig. 3 einen Querschnitt durch Fig. 2,Fig. 3 shows a cross section through Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht eines zum Teil im Schnitt gezeigten röhren- oder ringförmigen Brennstoffelementes nach der Erfindung,Figure 4 is a view of a tubular or annular fuel element shown partially in section according to the invention,

Fig. 5 einen Querschnitt durch Fig .4, Fig. 6 eine Ansicht eines zum Teil im Schnitt ge-Fig. 5 einen Querschnitt durch Fig. 4, Fig. 7 einen Querschnitt durch Fig. 6,FIG. 5 shows a cross section through FIG. 4, FIG. 6 shows a view of a partially in section. 5 shows a cross section through FIG. 4, FIG. 7 shows a cross section through FIG. 6,

Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt durch ein plattenförmiges Brennstoffelement,8 shows an enlarged cross section through a plate-shaped fuel element,

Fig. 9 eine genaue Ansicht einer der üblichen An-Ordnungen von Brennstoffelementen für die Verwendung in einem Reaktor mit einem flüssigen Metall als Kühlmittel und Graphit als Moderator.Figure 9 is a detailed view of one of the common arrangements of fuel elements for use in a reactor with a liquid metal as a coolant and graphite as a moderator.

In Fig. 1 ist einer der üblichen Kernreaktoren (in vereinfachter Darstellung) mit dem Kopf 12, der durch die Randstücke 14 und 16 befestigt ist, gezeigt. 18 und 20 sind die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen für das' Kühlmittel. Von der Innenwandung des Reaktors ΙΟ, durch nicht abgebildete Vorrichtungen, werden die obere und untere Halterung 22 bzw. 24, zwisehen denen die Brennstoffelemente 26 angebracht sind, die als zylindrische Stäbe dargestellt sind, getragen. Die Brennstoffelemente sind in einem gewissen Abstand voneinander entfernt, damit das Kühlmittel zwischen ihnen hindurchfließen kann. Das Gehäuse 28 für die beweglichen Kontrollstäbe 30 ist an den Reaktor 10 angeschlossen und enthält das Mittel zu deren Betätigung.In Fig. 1 is one of the usual nuclear reactors (in a simplified representation) with the head 12, the attached by the edge pieces 14 and 16 is shown. 18 and 20 are the inlet and outlet openings, respectively for the 'coolant. From the inside wall of the reactor ΙΟ, by devices not shown the upper and lower brackets 22 and 24, respectively, between which the fuel elements 26 are attached , which are shown as cylindrical rods, are supported. The fuel elements are in some way Spaced apart to allow coolant to flow between them. The housing 28 for the movable control rods 30 is connected to the reactor 10 and contains the means for their Activity.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Schnitte durch einen zylindrischen Spaltstoffstab 26 nach der Erfindung. Der Kern 32 besteht aus einem Brutstoff, entweder Th²³² oder U²³⁸. Die angrenzende äußere Schicht 34 besteht aus einem spaltbaren Material, das von einer Um- . hüllung 36 aus Zirkonium oder nichtrostendem Stahl oder ähnlichem umgeben wird.2 and 3 show sections through a cylindrical fissile material rod 26 according to the invention. The core 32 consists of a breeding material, either Th ²³² or U ²³⁸ . The adjoining outer layer 34 consists of a fissile material, which is of a Um-. Sheath 36 made of zirconium or stainless steel or the like is surrounded.

Fig. 4 und 5 zeigen ring- oder röhrenförmige Brennstoffelemente nach der Erfindung. Ein solches Brennstoffelement besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und in der Mitte eine Durchlaßöffnung 38 für das Kühlmittel. Es ist eine innere und eine äußere Umhüllung 40 bzw. 42 vorgesehen. Der Kern 44 besteht aus Brutstoff; an ihn grenzen die Schichten 46 und 48 aus dem spaltbaren Stoff, die ihrerseits an die Umhüllung grenzen. Die Schichten 46 und 48 aus spaltbarem Material betragen je 0,5 bis 20% des Gesamtvolumens des Brennstoffes ohne Umhüllung. Vorzugsweise sollen diese Schichten je 10% des Volumens des gesamten Brennstoffes ohne Umhüllung betragen.Figures 4 and 5 show annular or tubular fuel elements according to the invention. One such Fuel element has a circular cross-section and in the middle a passage opening 38 for the coolant. Inner and outer casings 40 and 42, respectively, are provided. The core 44 is made from breeding material; it is bordered by the layers 46 and 48 of the fissile material, which in turn adjoin the Wrapping borders. The layers 46 and 48 of fissile material each make up 0.5 to 20% of the total volume of the fuel without coating. These layers should preferably each be 10% of the volume of the entire fuel without coating.

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die verschiedenen Formen der Brennstoffelemente nach der Erfindung.Figures 6, 7 and 8 show the various shapes of the fuel elements according to the invention.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die Platten 50 parallel nebeneinander, deren Enden an den Seitenplatten 52 und 54 befestigt sind. Die Spaltstoffplatten können, wie Fig. 7 darstellt, leicht gekrümmt oder auch eben sein. Die Öffnungen 56 für das Kühlmittel sind die Zwischenräume zwischen den Platten 50.6 and 7 show the plates 50 parallel to one another, the ends of which are on the side plates 52 and 54 are attached. The fissile material panels can, as FIG. 7 shows, be slightly curved or flat be. The openings 56 for the coolant are the spaces between the plates 50.

Fig. 8 zeigt den inneren Aufbau der Spaltstoffplatte im einzelnen. Der Kern 58 besteht aus Brutstoff und beträgt 60 bis 99 Volumprozent des Brennstoffes. Die Schichten 60 und 62 aus einem spaltbaren Element nehmen die restlichen 1 bis 40 Volumprozent ein. Die Oberflächen der Spaltstoffeinheit sind von den Schiehten 64 und 66 umhüllt. Auch die Stelle, an der die Spaltstoffplatte an der Seitenplatte 52 befestigt ist, ist veranschaulicht. Der seitliche Teil 68 des bei der Herstellung von Spaltstoffplatten durch Warmwalzen verwendeten Rahmens ist ebenfalls abgebildet. Das Ende der Spaltstoffplatte ist an die Seitenplatte festgelötet oder auf andere Weise damit verbunden.Fig. 8 shows the internal structure of the fuel plate in detail. The core 58 consists of breeding material and is 60 to 99 percent by volume of the fuel. Layers 60 and 62 of a fissile element take up the remaining 1 to 40 percent by volume. The surfaces of the fissile material unit are from the shafts 64 and 66 wrapped. Also the point where the fuel plate is attached to the side plate 52, is illustrated. The lateral part 68 of the in the manufacture of cracked material panels by hot rolling The frame used is also shown. The end of the fissile material plate is soldered to the side plate or otherwise connected to it.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung der Brennstoffelemente nach der Erfindung, die von der gewünschten, oben beschriebenen und abgebildeten Ausführungsform abhängen.There are several methods of manufacturing the fuel elements according to the invention, which are derived from depend on the desired embodiment described and illustrated above.

Der zylindrische Stab gemäß den Fig. 2 und 3 kann durch ein besonderes Preßverfahren hergestellt werden. Gepreßte Kügelchen aus THO₂ und UO₂ können unter Verwendung einer Spezialgußform und Stanzmatrize angefertigt werden, die so ausgebildet sind, daß die pulverisierten Verbindungen getrennt und nacheinander in die Höhlung der Form gegossen werden können. Das ermöglicht die Anordnung einer Muffe um das Kernstück. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Füllen des Kernstückes mit ThO₂, Kaltpressen des ThO₂, Entfernen der Muffe, Auffüllen des äußeren Ringes mit UO₂ und abschließend das Pressen des gesamten Kügelchens. Nachfolgend wird das Kügelchen gesintert.The cylindrical rod according to FIGS. 2 and 3 can be produced by a special pressing process. Pressed spheres of THO ₂ and UO ₂ can be made using a special mold and punch die designed so that the powdered compounds can be separated and poured sequentially into the cavity of the mold. This enables a sleeve to be arranged around the core. The process comprises the following steps: filling the core with ThO ₂ , cold pressing the ThO ₂ , removing the sleeve, filling the outer ring with UO ₂ and finally pressing the entire bead. The bead is then sintered.

Die Umhüllung wird mit Hilfe eines der hierfür bekannten Verfahren aufgetragen.The coating is applied using one of the methods known for this purpose.

Der ring- oder röhrenförmige Spaltstoff der Fig. 4 und 5 kann durch Spritzguß und nachfolgendes Überziehen des Gußstückes hergestellt werden. Dieses Verfahren besteht in der Herstellung eines ringförmigen Stabes aus Brutstoff, z.B. ThO₂ durch Pressen oder Strangpressen mit einem geeigneten Bindemittel. Die Röhre wird dann getrocknet und vorgesintert, so daß man sie handhaben kann. Nachfolgend wird die Röhre in eine Aufschwemmung aus spaltbarem Material, z. B. UO₂, getaucht, das als dünner Überzug auf dem Th O₂ trocknet. Diese Röhre wird dann bei hohen Temperaturen gesintert. Die Umhüllung für die innere und äußere Wärmeübertragungsfläche wird nach einem der bekannten Verfahren aufgetragen.The annular or tubular fissile material of FIGS. 4 and 5 can be produced by injection molding and subsequent coating of the casting. This method consists in the production of an annular rod from breeding material, for example ThO _2, by pressing or extrusion with a suitable binding agent. The tube is then dried and presintered so that it can be handled. The tube is then placed in a suspension of fissile material, e.g. B. UO ₂ , dipped, which dries as a thin coating on the Th O _2. This tube is then sintered at high temperatures. The covering for the inner and outer heat transfer surface is applied by one of the known methods.

Der plattenförmige Spaltstoff der Fig. 6, 7 und 8 wird unter Anwendung der hierfür bekannten Verfahren hergestellt. Die Spaltstoffplatten selbst mit ihren mit einem spaltbaren- Element angereicherten Außenflächen können entweder durch das oben beschriebene Preß- oder das Gußverfahren mit nachfolgendem Überziehen hergestellt werden. Der geschichtete Spaltstoff mit den äußeren Schichten aus spaltbarem Material kann in den Rahmen, der die Innenschicht des Brennstoffelementes bildet, eingesetzt und dann zwischen den beiden umhüllenden Schichten warmgewalzt werden. Dieser Vorgang verdichtet das Spaltmaterial zusätzlich und verbindet die Umhüllung dauerhaft mit dem Rahmen, der eine flüssigkeitsfeste und korrosionsbeständige Abgrenzung bildet.The plate-shaped fissile material of FIGS. 6, 7 and 8 is made using the methods known for this purpose manufactured. The fissile material plates themselves with their enriched with a fissile element Outer surfaces can either be formed by the pressing or casting process described above with the following Plating can be produced. The layered fissile material with the outer layers Fissile material can be used in the frame that forms the inner layer of the fuel element and then hot rolled between the two wrapping layers. This process condenses the gap material in addition and connects the casing permanently with the frame, the one forms liquid-proof and corrosion-resistant demarcation.

Die anderen üblichen Verfahren, die den Fachleuten bekannt sind, können an Stelle der beschriebenen benutzt werden, um das Brennstoffelement nach der Erfindung zur Verwendung in einem Kernreaktor herzustellen.The other conventional methods known to those skilled in the art can be used in place of those described used to make the fuel element according to the invention for use in a nuclear reactor to manufacture.

Abschließend soll auf Fig. 9 eingegangen werden. Fig. 9 stellt eine in senkrechter Richtung verkürzteFinally, FIG. 9 will be discussed. Fig. 9 shows a shortened one in the vertical direction

Ansicht einer der üblichen Anordnungen von Brennstoffelementen nach der Erfindung dar. Diese Anordnung von Brennstoffelementen ist für den Betrieb bei hohen Temperaturen zwischen 538 und 593° C mit einem flüssigen Metall, z. B. Natrium, Natrium-Kalium-Eutektikum (NaK), Quecksilber usw., als Kühlmittel und Graphit als Moderator bestimmt. Es sind Teile der oberen und der unteren Halteplatten 80 bzw. 82 dieses Systems gezeigt. Der Graphitmoderator 84, der Spaltstoffkanal 86 und die Umhüllung 88 umgeben die Brennstoffelementeinheit, die senkrecht im Gehäuse angeordnet ist. Weiterhin sind eine untere Muffe 90 für den Kühlmitteleinlaß, eine Öffnung 92 in der unteren Gitterplatte 82, eine Röhre 94, die als Strömungskanal die Brennstoffelemente umgibt, ein abhebbarer Teil 96 mit einer Feststellschraube 98, ein unterer und ein oberer Trennblock 100 bzw. 102 und sieben Brennstoffelemente, die zu sechs gebündelt eine mittlere Einheit umgeben, vorgesehen. Das Kühlmittel tritt durch den Einlaß 104 in der Muffe 90 ein, fließt durch die Öffnungen 106 in dem unteren Trennblock 100 aufwärts um die Spaltstoffröhren und durch die Öffnung 108 in der Röhre 94 und weiter durch die Öffnungen 110 im abhebbaren Teil 96 nach außen ab.View of one of the usual arrangements of fuel elements according to the invention. This arrangement of fuel elements is for operation at high temperatures between 538 and 593 ° C with a liquid metal, e.g. B. sodium, sodium-potassium eutectic (NaK), mercury, etc., determined as a coolant and graphite as a moderator. Portions of the upper and lower support plates 80 and 82 of this system are shown. The graphite moderator 84, the fissile material channel 86 and the casing 88 surround the fuel element unit, which is arranged vertically in the housing. Furthermore, there is a lower sleeve 90 for the coolant inlet, an opening 92 in the lower grid plate 82, a tube 94 which surrounds the fuel elements as a flow channel, a removable part 96 with a locking screw 98, a lower and an upper separating block 100 and 102, respectively seven fuel elements, which are bundled together to surround a central unit, are provided. The coolant enters through inlet 104 in sleeve 90, flows up through openings 106 in lower partition block 100 up around the fissile material tubes and through opening 108 in tube 94 and further out through openings 110 in liftable portion 96.

Die Brennstoffelemente dieser Ausführungsform sind etwa 4,58 m lang und zwischen der unteren und oberen Halterung 112 bzw. 114 befestigt. Der untere aktive Spaltstoffteil 116 ist 3,05 m lang und ring- oder röhrenförmig mit einer Öffnung oder Aussparung 118 in der Mitte, durch die keine Flüssigkeit fließt und die deshalb nicht umhüllt ist. Diese Aussparung 118 dient zur Sammlung der gasförmigen Spaltungsprodukte und setzt die thermischen Spannungen im Spaltstoff erheblich herab. Die äußere Wärmeübertragungsfläche jedoch ist mit einer Umhüllung aus nichtrostendem Stahl 120 umgeben, welche sich zwischen der unteren und der oberen Halterung 112 bzw. 114 erstreckt.The fuel elements of this embodiment are approximately four feet long and are secured between the lower and upper brackets 112 and 114, respectively. The lower active fissile material part 116 is 3.05 m long and annular or tubular with an opening or recess 118 in the middle through which no liquid flows and which is therefore not encased. This recess 118 serves to collect the gaseous fission products and considerably reduces the thermal stresses in the fissile material. The outer heat transfer surface, however, is surrounded by a stainless steel jacket 120 which extends between the lower and upper brackets 112 and 114 , respectively.

Der ringförmige Teil 122 aus Brutstoff ist eine 4,1275 mm starke (radiale) Röhre aus gesintertem Th²³²O₂ mit einem äußeren Durchmesser von 14,86 mm und einer mittleren Öffnung 118, deren Durchmesser 6,6 mm beträgt. Die Röhre wird von einer 0,8265 mm starken (radialen) Schicht aus ThO₂-UO₂ umgeben, die etwa 3°/o U²³⁵O₂ enthält Diese Schicht nimmt die äußeren 22 Volumprozent des Brennstoffes ein und wird von einer 17,018 mm starken (radialen) Schicht 120 aus nichtrostendem Stahl umhüllt. Der äußere Durchmesser des geschichteten Brennstoffelementes beträgt 17,018 mm. Der Abstand zwischen der Mitte eines Brennstoffelementes und der Mitte des nächsten beträgt bei dieser Anordnung 20,47 mm, und der äußere Durchmesser des Kanals 94, der dieses System umgibt, ist etwa 63,5 mm breit.Annular portion 122 of incombustible material is a 4.1275 mm thick (radial) tube of sintered Th ²³² O ₂ with an outer diameter of 14.86 mm and a central opening 118, the diameter of which is 6.6 mm. The tube is surrounded by a 0.8265 mm thick (radial) layer of ThO ₂ -UO ₂ , which contains about 3 ^{% U 235} O _2. This layer takes up the outer 22 percent by volume of the fuel and is 17.018 mm thick (Radial) layer 120 made of stainless steel enveloped. The outer diameter of the layered fuel element is 17.018 mm. The distance between the center of one fuel element and the center of the next in this arrangement is 20.47 mm, and the outer diameter of the channel 94 surrounding this system is approximately 63.5 mm wide.

510 solcher Systeme bilden einen Reaktorkern. Sie sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet, dessen gegenüberliegende Teile einen Abstand von 24,13 cm haben und in dem der Abstand von Mitte zu Mitte der Systeme etwa 14 cm beträgt. Der Moderator und Reflektor besteht aus 270 hexagonalen Graphitblöcken, deren Flächen 25,4 cm breit sind und die halbkreisförmige Vertiefungen an den Kanten für das Einsetzen der Brennstoffelemente besitzen. Der mittlere Durchmesser des Reaktionskernes beträgt 4,64 m, die Höhe 4,27 m; der Reflektor ist etwa 61 cm dick und der mittlere äußere Durchmesser der Reaktorkern-Reflektor-Anordnung ist 5,68 m. Die Brennstoffladung beträgt insgesamt 20,589 kg, die so verteilt sind, daß jede Anordnung von je sieben Brennstoffelementen 40,27 kg und jede Einheit 5,76 kg Brennstoff enthält. Flüssiges Natrium fließt als Kühlmittel durch diesen Reaktor und tritt bei einer Temperatur von 371° C ein und verläßt ihn bei etwa 538° C. Die elektrische Reaktorleistung beträgt 200 MW.510 such systems form a reactor core. They are arranged in a hexagonal grid, whose opposing parts have a distance of 24.13 cm and in which the distance from center to center of the systems is about 14 cm. The moderator and reflector consists of 270 hexagonal graphite blocks, whose surfaces are 25.4 cm wide and the semicircular recesses on the edges for insertion own the fuel elements. The mean diameter of the reaction core is 4.64 m, the Height 4.27 m; the reflector is approximately 61 cm thick and the mean outer diameter of the reactor core-reflector assembly is 5.68 m. The fuel load is a total of 20.589 kg, which are distributed so that each assembly of seven fuel elements contains 40.27 kg and each unit contains 5.76 kg of fuel. Liquid sodium flows through this reactor as a coolant and occurs at a temperature of 371 ° C and leaves it at about 538 ° C. The electrical reactor output is 200 MW.

Die Brutstoffe, die als Kern der Brennstoffelemente nach der Erfindung verwendet werden, sind U²³⁸ oder Th²³² oder deren Mischungen oder Verbindungen, z. B. Oxyde oder Karbide, oder Legierungen des Urans mit Al, Be, Cr, Fe, Pb, Mn, Ni, Si, Sn, Ti, Zr.The breeding materials that are used as the core of the fuel elements according to the invention are U ²³⁸ or Th ²³² or their mixtures or compounds, e.g. B. oxides or carbides, or alloys of uranium with Al, Be, Cr, Fe, Pb, Mn, Ni, Si, Sn, Ti, Zr.

Das spaltbare Material ist anfänglich elementares U²³³, bei Verwendung von U²³⁸ ebenso wie bei Verwendung von Th²³² (als Brutstoff kern). Wenn der Reaktor läuft, sollte man entweder Pu²³⁹ oder U²³³ als endgültige spaltbare Elemente benutzen. Verbindungen von U²³⁵, z. B, Oxyde oder Karbide, sowie Legierungen von U²³⁵ mit einem oder mehreren der oben aufgeführten metallischen Elemente können in gleicher Weise angewendet werden.The fissile material is initially elementary U ²³³ , when using U ²³⁸ as well as when using Th ²³² (as a breeding material core). When the reactor is running, either Pu ²³⁹ or U ²³³ should be used as the final fissile element. Connections from U ²³⁵ , e.g. B, oxides or carbides, as well as alloys of U ²³⁵ with one or more of the metallic elements listed above can be used in the same way.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einem Kern, der nicht an die Wärmeübertragungsfläche des Brennstoffelementes grenzt und der einen Brutstoff und ursprünglich im wesentlichen keinen Spaltstoff enthält, und aus einem an den Kern angrenzenden äußeren Teil, der an die Wärmeübertragungsfläche grenzt und der ursprünglich im wesentlichen den gesamten Spaltstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des äußeren Teiles 1,0 bis 40% des Gesamtvolumens des Brennstoffes (ohne Umhüllung) beträgt. 1. Nuclear reactor fuel element, consisting of a core that does not adhere to the heat transfer surface of the fuel element and the one breeding material and originally essentially contains no fissile material, and an outer part adjoining the core, which is connected to the Heat transfer surface adjoins and originally essentially all of the fissile material contains, characterized in that the volume of the outer part 1.0 to 40% of the total volume of the fuel (without coating). 2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brutstoff aus den Elementen U²³⁸, Th²³² oder deren Verbindungen besteht.2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the breeding material consists of the elements U ²³⁸ , Th ²³² or their compounds. 3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Stabes oder einer verhältnismäßig dünnen Platte hat.3. Fuel element according to claim 2, characterized in that it is in the form of a rod or a relatively thin plate. In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 037 609.Legacy Patents Considered:
German Patent No. 1 037 609. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 009 627/339 10.60© 009 627/339 10.60