DE1242300B - Uranium carbide based nuclear reactor fuel element - Google Patents

Description

DEUTSCHES IM PATENTAMTGERMAN IN THE PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

DeutscheKl.: 21g-21/20German class: 21g-21/20

Nummer: 1242 300Number: 1242 300

Aktenzeichen: C 29251 Vni c/21 gFile number: C 29251 Vni c / 21 g

J 242 300 Anmeldetag: 26.Februar 1963J 242 300 Filing date: February 26, 1963

Auslegetag: 15. Juni 1967Open date: June 15, 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement mit einem Brennstoffkern auf Urancarbidbasis und mit einer Hülle aus einer Eisenlegierung. The invention relates to a nuclear reactor fuel element having a fuel core Uranium carbide base and coated with an iron alloy.

Die Brennstoffelemente sind insbesondere für Kernreaktoren mit Graphit, schwerem Wasser oder einer organischen Flüssigkeit als Moderator bestimmt, die durch Kohlendioxyd oder eine organische Flüssigkeit gekühlt werden.The fuel elements are especially for nuclear reactors with graphite, heavy water or a organic liquid determined as a moderator by carbon dioxide or an organic liquid be cooled.

Aufgabe der Erfindung ist vor allem die Schaffung solcher Brennstoffelemente, mit denen hohe Temperaturen und besonders große Leistungen erreicht werden können und demzufolge eine beträchtliche Erniedrigung des Preises der erzeugten Energie bei einem Reaktor von gegebener Dimension und gegebenen Kosten ermöglicht wird.The main object of the invention is to create such fuel elements with which high temperatures and particularly great achievements can be achieved and consequently a considerable one Lowering the price of the energy produced in a reactor of a given size and size Cost is made possible.

Als Kernbrennstoff für Hochtemperaturreaktoren wird Urancarbid wegen seiner relativ guten Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit empfohlen. Schwierigkeiten bestehen bei der Wahl des Hüllenmaterials, das bei erhöhter Temperatur mechanisch vor allem möglichst stabil und oxydationsbeständig sein und außerdem einen möglichst geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt haben soll. Üblicherweise werden nichtrostende Stähle empfohlen.Uranium carbide is used as a nuclear fuel for high-temperature reactors because of its relatively good thermal conductivity and temperature resistance recommended. Difficulties exist in the choice of the casing material, and above all, mechanically as stable and oxidation-resistant as possible at elevated temperatures and should also have the smallest possible neutron absorption cross-section. Usually stainless steels are recommended.

Gemäß der Erfindung wird nun eine wesentliche Verbesserung der Brennstoffelemente dadurch erreicht, daß Urancarbidelemente vorgesehen werden, die von einer sehr dünnen Hülle umgeben sind, die aus einer 13 bis 40 Gewichtsprozent Aluminium und gegebenenfalls Zusätze an Beryllium oder Silicium enthaltenden Eisen-Aluminium-Legierung besteht. Vorzugsweise besteht der Brennstoff dieser Elemente aus Uranmonocarbid und/oder Urancarbid, und er kann gegebenenfalls geringe Mengen an Zusätzen verschiedener Stoffe, wie z. B. Zirkonium oder Zirkoniumcarbid, enthalten.According to the invention, a substantial improvement in the fuel elements is now achieved by that uranium carbide elements are provided, which are surrounded by a very thin shell, the from a 13 to 40 weight percent aluminum and optionally additions of beryllium or silicon containing iron-aluminum alloy. Preferably the fuel consists of these elements made of uranium monocarbide and / or uranium carbide, and it can optionally contain small amounts of additives various substances, such as B. zirconium or zirconium carbide.

Der relativ hohe Aluminiumgehalt des Hüllenmaterials führt zu einer deutlichen Verringerung des Gesamtneutroneneinfangquerschnittes der Hülle, die zudem besonders dünn sein kann, da das mechanische Verhalten der gewählten Eisenlegierung mit hohem Al-Gehalt — und auch die Oxydationsbeständigkeit — bei erhöhten Temperaturen erstaunlich günstig sind.The relatively high aluminum content of the shell material leads to a significant reduction in the Total neutron capture cross-section of the shell, which can also be particularly thin because the mechanical Behavior of the chosen iron alloy with a high Al content - and also the resistance to oxidation - are surprisingly cheap at elevated temperatures.

Durch Verwendung von Urancarbid als Brennstoff zusammen mit dem neuen Hüllenmaterial kann man daher eine erhöhte spezifische Leistung pro Längeneinheit des Elementes erreichen, und auf Grund der möglichen Erhöhung der Reaktorbetriebstemperatur kann der Energiepreis gesenkt werden. Die üblicherweise empfohlenen nichtrostenden Stähle, die bedeu-Kernreaktor-Brennstoffelement auf
UrancarbidbasisBy using uranium carbide as fuel together with the new shell material, an increased specific power per unit length of the element can therefore be achieved, and the energy price can be reduced due to the possible increase in the reactor operating temperature. The commonly recommended stainless steels that mean nuclear reactor fuel element
Uranium carbide base

Anmelder:Applicant:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris
Vertreter:Commissariat a l'Energie Atomique, Paris
Representative:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10Dipl.-Ing. R. Beetz and Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patent Attorneys, Munich 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Maurice Gauthron, Paris;Maurice Gauthron, Paris;

Marc Salesse, Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise;Marc Salesse, Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise;

Jacques Andre Stohr,Jacques Andre Stohr,

Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise (Frankreich)Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise (France)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Frankreich vom 2. März 1962 (889 736)France of March 2, 1962 (889 736)

tende Mengen an Chrom und/oder Nickel enthalten, haben einen höheren Neutronenabsorptionsquerschnitt, und sie sind außerdem dem neuen Hüllenmaterial hinsichtlich der Oxydationsbeständigkeit und der Wärmeelastizitätsgrenze unterlegen, so daß auch mit Edelstahl plattierte Zirkonrohre, wie sie für die Verwendung bei Temperaturen oberhalb von 350° C in korrodierenden Kühlmitteln vorgeschlagen wurden, in der Gesamtheit der Eigenschaften nicht an das neue Hüllenmaterial heranreichen.contain large amounts of chromium and / or nickel, have a higher neutron absorption cross-section, and they are also the new shell material in terms of resistance to oxidation and inferior to the thermal elastic limit, so that zirconium tubes clad with stainless steel, such as those for the Use at temperatures above 350 ° C in corrosive coolants have been suggested, do not come close to the new shell material in the totality of the properties.

DieAluminiumgehalte bekannter Eisenlegierungen sind im allgemeinen relativ gering und auf einige Prozent begrenzt, wodurch keine nennenswerte Erniedrigung des Gesamt-Neutronenabsorptionsquerschnitts erreicht werden kann. Eine Ausnahme macht eine Legierung, die 10% Chrom, 20% Aluminium, Rest Eisen enthält; diese Legierung hat zwar eine ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, aber sie soll mechanisch so ungünstige Eigenschaften haben, daß sie lediglich als Überzug für weniger korrosionsbeständige Materialien angewendet werden kann. Diese Überzugs- und Plattierungsverfahren bringen jedoch jeweils zusätzliche Schwierigkeiten mit sich.The aluminum contents of known iron alloys are generally relatively low and to some extent Percent, which means that there is no significant reduction in the total neutron absorption cross-section can be reached. An exception is made for an alloy that contains 10% chromium, 20% aluminum, The remainder contains iron; this alloy has an excellent resistance to oxidation at increased Temperatures, but they should have mechanically unfavorable properties that they can only be used as a coating can be used for less corrosion-resistant materials. These coating and plating processes however, each bring additional difficulties.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Brennelement gemäß der Erfindung beschrieben; es zeigtTo explain the invention, a fuel assembly is described below with reference to the drawings described according to the invention; it shows

F i g. 1 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffelement im Schnitt längs a-a der F i g. 2,F i g. 1 shows a fuel element designed according to the invention in section along aa of FIG . 2,

709 590/231709 590/231

Claims (2)

F i g. 2 den Querschnitt des Elementes (Schnitt längs b-b der F i g. 1). In den F i g. 1 und 2 sind lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Einzelheiten skizziert; man sieht das Brennstoffelement in einem Kanal des Moderators 1. Es wird durch einen Stab 2 aus Urancarbid gebildet, der von einer sehr dünnen, nicht oxydierenden Hülle 3 umgeben ist. Unter »sehr dünn« ist dabei eine Dicke von weniger als 3Aomm (z.B. Vio oder 5Aoo mm) zu verstehen. Diese Hülle wird aus einer Eisen-Aluminium-Legierung gebildet, die 13 bis 40 Gewichtsprozent Aluminium und gegebenenfalls Zusätze anderer Elemente, wie z. B. Beryllium oder Silicium, enthält. Zwischen Hülle und Brennstoff kann gegebenenfalls eine Trennschicht vorhanden sein zur Vermeidung von Reaktionen oder Diffusionserscheinungen, die zwischen dem Gas und dem Carbid auftreten könnten. Eine solche Schicht kann mit der Hülle, mit dem Carbid oder mit beiden gleichzeitig verbunden sein. Sie kann metallisch oder nichtmetallisch sein und wird insbesondere aus Chrom, Zirkon, Niob, Yttrium, Beryllium, Kupfer, Oxyden der genannten Metalle, Aluminium- oder Magnesiumoxyd, Graphit, es Kohlenstoff oder Gemischen dieser Materialien gebildet. Wenn weder das Urancarbid3 selbst wenn der Stab 2 anfänglich in Form eines einzigen Blocks vorliegt, noch die Hülle 3, die sehr dünn ist, von sich aus dem Brennstoffelement eine genügende Festigkeit unter den gegebenen Betriebsbedingungen geben können, kann man daher radiale Zentriermittel 4 vorsehen, die durchgehend oder nicht durchgehend, geradlinig oder nicht geradlinig und gegebenenfalls als Spirale angeordnet sein können und sich entweder direkt auf der Kanaiwand oder auf einem Mantel 5 abstützen. Die Zentriermittel können z. B. aus Graphit bestehen. Ihre Zahl wird von Fall zu Fall ausgewählt. Elemente mit drei oder vier Zentriermitteln entsprechen besonders gut den Erfordernissen der Praxis. Das Kühlmittel, das aus Kohlendioxyd oder einer organischen Flüssigkeit bestehen kann, zirkuliert leicht in den Längszwischenräumen 6, die zwischen dem Brennstab und den Kanalwänden oder gegebenenfalls dem Mantel und den Zentriermitteln ausgespart sind. Bei Verwendung von Uranmonocarbid können Temperaturen von 1200° C oder darüber im Innern des Brennstoffelements, bei 600° C an seiner Oberfläche, erzielt werden, d. h. eine hohe spezifische' Leistung pro Längeneinheit des Elementes, die im vorliegenden Fall besonders hoch ist, da das gewählte Hüllenmaterial eine relativ hohe Kühlmitteltemperatur zuläßt. Dabei kann insbesondere wegen der verringerten Neutronenabsorption der Hülle eine Erhöhung der spezifischen Leistung ohne Anreicherung des Urans erzielt werden. Daraus ergibt sich insgesamt eine beträchtliche Senkung der Energiekosten. Patentansprüche:F i g. 2 shows the cross section of the element (section along b-b of FIG. 1). In the F i g. 1 and 2 are only sketched the details necessary for understanding the invention; the fuel element can be seen in a channel of the moderator 1. It is formed by a rod 2 made of uranium carbide, which is surrounded by a very thin, non-oxidizing sheath 3. "Very thin" means a thickness of less than 3Aomm (e.g. Vio or 5Aoo mm). This shell is made of an iron-aluminum alloy that contains 13 to 40 percent by weight of aluminum and, if necessary, additions of other elements, such as e.g. B. beryllium or silicon contains. A separating layer can optionally be present between the shell and the fuel in order to avoid reactions or diffusion phenomena that could occur between the gas and the carbide. Such a layer can be bonded to the shell, to the carbide, or to both at the same time. It can be metallic or non-metallic and is formed in particular from chromium, zirconium, niobium, yttrium, beryllium, copper, oxides of the metals mentioned, aluminum or magnesium oxide, graphite, carbon or mixtures of these materials. If neither the uranium carbide 3, even if the rod 2 is initially in the form of a single block, nor the sheath 3, which is very thin, can by itself give the fuel element sufficient strength under the given operating conditions, one can therefore provide radial centering means 4, which can be arranged continuously or not continuously, in a straight line or not in a straight line and optionally as a spiral and are supported either directly on the Kanaiwand or on a jacket 5. The centering means can, for. B. consist of graphite. Their number will be chosen on a case-by-case basis. Elements with three or four centering means meet the requirements of practice particularly well. The coolant, which can consist of carbon dioxide or an organic liquid, easily circulates in the longitudinal spaces 6 which are recessed between the fuel rod and the channel walls or, if necessary, the jacket and the centering means. If uranium monocarbide is used, temperatures of 1200 ° C or above can be achieved inside the fuel element, at 600 ° C on its surface, i. H. a high specific 'power per unit length of the element, which is particularly high in the present case, since the selected shell material allows a relatively high coolant temperature. In particular, because of the reduced neutron absorption of the shell, an increase in the specific power can be achieved without enrichment of the uranium. Overall, this results in a considerable reduction in energy costs. Patent claims: 1. Kernreaktor-Brennstoffelement mit einem Brennstoffkern auf Urancarbidbasis und mit einer Hülle aus einer Eisenlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Urancarbidelemente von einer sehr dünnen Hülle von weniger als ^sZio mm Dicke umgeben sind, die aus einer 13 bis 40 Gewichtsprozent Aluminium und gegebenenfalls Zusätze an Beryllium oder Silicium enthaltenden Eisen-Aluminium-Legierung besteht.1. Nuclear reactor fuel element with a fuel core based on uranium carbide and with a shell made of an iron alloy, characterized in that the uranium carbide elements are surrounded by a very thin shell of less than ^s Zio mm thickness, which consists of a 13 to 40 weight percent aluminum and optionally additives consists of beryllium or silicon-containing iron-aluminum alloy. 2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff aus Uranmonocarbid und/oder Urancarbid besteht.2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the fuel consists of Uranium monocarbide and / or uranium carbide. In Betracht gezogene Druckschriften:Considered publications: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 037606;German Auslegeschrift No. 1 037606; belgische Patentschrift Nr. 571786;Belgian Patent No. 571786; »Kerntechnik« von Riezler—Walcher, 1958, S. 184, Tabelle 184.1;"Kerntechnik" by Riezler-Walcher, 1958, p. 184, table 184.1; »Nuclear Engineering Handbook« von Etherington, 1958, S. 10 bis 66, Tabelle 58;"Nuclear Engineering Handbook" by Etherington, 1958, pp. 10 to 66, table 58; »Nuclear fuel Elements« von Hausner und Schumar, 1959, S. 197 bis 209."Nuclear fuel elements" by Hausner and Schumar, 1959, pp. 197 to 209. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 709 590/231 6.67 ® Bundesdruckerei Berlin709 590/231 6.67 ® Bundesdruckerei Berlin