DE1464842A1 - Fuel element for nuclear reactors and process for its manufacture - Google Patents

Description

Brennstoffelement für Kernreaktor(-"n und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für Kernreaktoren, insbesondere für durch ein umlaufendes flüssiges Metall gekärllte Kernreaktoren mit schne-Uen Neutronen, das einen 1Gnggestreckkten atab .aus einem ,1,Plutoniumhalti.#yen I[ernbrenn- Stoff enthält, der von einer inneren HülIe umschlossen ist, @@:jelche aus einem Stoff besteht, der mit dem Plutonium kein @ute@ti@_LUn bildet, uncl solche Ubmessungen hat, d_;.ß zumindest zwi-,ehen einem Ende deo Stabes und der hülle ein luftleerer oder ein inertes Gas enthaltender verbleibt, und 1-Jas eine aubere 'Ttilse ouftreist, welche aus einem für gasförmige Spaltprodukte undurchlässigem Material besteht und die innere ;lulle einschließt, wobei sich in dem Raum zwischen der inneren TI@a?_@@ und dvsr äußeren ihilse ein wärmeübertragender Stoff be- f:l_yi;i"t, nach latent ... (Anmeldung C 29 373 VTTIc/21 g vom 13.301 J63) ° Das Brehhatoffelement nach dem Haunt-patent enthält einen massiven Stab aus Kernbrennstoff und die Volumenzunahme des Brennstoffmaterials unter der Einwirkung der Neutronenbestrah- lung muß von der inneren H-_lle des Elements, die meist aus Niob besteht, aufgefa#i- en und das VIaterial dabei in Richtung auf-- den Hohlraum des Elements veraränät werden, der als "Ausdeh- . nungskammer'1 wirkt. :Ein Nachteil dieser Elementausfü rirung besteht darin, dRß die innere Helle in ihren Teilen, die in größerer Entfernung von der =Lusdehnungskammer liegen, hohen Deh- nungsbeanspruehun en aus esetzt ist. Die vorlie;e-_@e ZLls,,.tzerzindung beseitigt diese _iohen Dehnungsbeans-:iruchun@en der i.@@aeren ti=_tl 1e. des Bren.2stoffele- ments und gleicht die mechanischen BeanspruchunF";en der inneren Hülle auf ihrer e sc:m-@en :@ö,ür;e Iadurch aus, ä-n leine Volumen- zuna,'..me des den Brennstoff st2b bildenden @l1.,@terials ü[email protected]. unterpraktisch -gleichen Bedingunüen verdrängt werden kann. Das erfindun--@s.=_,emä:;)e Brennstoffelement für Kernreaktoren, insbesondere für durch ein umlaufendes flüssiges Metallte Kernreaktoren mit schnellen Neutronen, d&s einen lang_,e- streckten Stab aus einem .@)lutoniumhalti-zen Kernbrennstoff ent- . hält, der von einer inneren Hülle umschlossen ist, welche aus einem Stoff besteht, der r:it dem -lutonium kein Lutelcti-'#-um bildet, und solche -bmessunjen hat, zumindest zwischen einem Ende des Stabes und der Hille ei.-,. luftleerer oder ein nertes Gas enthaltender Hohlraum verbleibt, und da3 eine ö,uiil)ere Hälse aufweist, welche auo einem für tasförmige Spaltprodukte undurchlässigen Material besteht und die innere Hälle ein- oohlegt, wobei sich in dem Raum @`zwisehen der inneren Hülle und der äußeren lidlse ein wärmeübertragender Stoff befindet, nach Patent ... (Anmeldung C 29 373 VIIIc,'21g vom 13.3.1963), ist im wesentlichen geke:ulzeiehnet durch einen längs der Achse des Stabes vorgesehenen Kanal, der sich in deal Hohlraum öffnet. Die Erfindung bezieht sich weiteriain auf ein Verfahren zitr Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements, das rela- tiv einfach ist und sich iuit stets gleichbleibenden Ergebnissen sicher durchführen läßt. Dieses Herstellungsverfahren, bei dem in an sich bereits aus dem Hauptpatent belcantiter Weise dar Brennstoffmaterial in einem Rohr gegossen wird, dessen Mc.terial kein Nutektikum mit dem Brennstoff bildet, dann die Enden des Rohres verschlos- sen werden, um die Linzre 1i,.ll e zu bilden, anschließend die innere Hülle in eine äußere aJlse einbesetzt wird, zwischen. die 1iJ11.e und die .lse das Wärmeiüertragende a@iaterial eirege- bracht und sch-ießlich die äu3erei-'.lse dicht verschlossen wirdi ist ira vasentlichen dadurch gel:e_ulzeich::ct, daß man vor dem Gießen des Brennstoffmaterials in der inneren Hille in das diese i :11e bil den,ie _iohr eitlen Kern i n ziichtung der Achse dieses RohreB eingesetzt, der n: ch Verfeäti,Ten das Gusses ent- fernt wird. Zur ii;i.rieren 2#rliuterLUlg der .@@'r-._'inü@u@g vrird nui=ehr das Ver- ,.fahren fair die Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoff-. Fuel element for nuclear reactor (- "n and process to its manufacture The invention relates to a fuel element for Nuclear reactors, especially for by a circulating liquid Metal kärllte nuclear reactors with beautiful neutrons, that a 1-gong-stretched atab. from a, 1, plutonium contenti. # yen I [ernbrenn- Contains substance that is enclosed by an inner sleeve, @@: jelche consists of a substance that does not have a @ ute @ ti @ _LUn forms, and has such dimensions, d _ ;. ß at least between one end of the deodorant stick and the sheath an evacuated one or containing an inert gas remains, and 1-yes a clean 'Ttilse travels, which from one for gaseous Fission products consists of impermeable material and the inner ; lulle encloses, being in the space between the inner TI @ a? _ @@ and dvsr outer ihilse a heat-transferring substance f: l_yi; i "t, according to latent ... (registration C 29 373 VTTIc / 21 g of 13.301 J63) ° The Brehhatoff element according to the Haunt patent contains one massive rod of nuclear fuel and the increase in volume of the Fuel material under the action of the neutron radiation ment must come from the inner shell of the element, which is usually made of niobium exists, perceived and the material in the direction of-- Veraränät the cavity of the element, which is called "expansion. nungskammer'1 acts. : A disadvantage of this element design consists in that the inner brightness in its parts, which in greater distance from the expansion chamber, high expansion is exposed to stress. The present; e -_ @ e ZLls ,,. Oxidation eliminates this _iohen Stretch beans-: iruchun @ en der i. @@ aeren ti = _tl 1e. of fuel. ments and balances the mechanical stresses of the internal Shell on your e sc: m- @ en: @ ö, ür; e I durch aus, ä-n leine volume- zuna, '.. me of the @ l1., @ terials forming the fuel st2b via @ .1. under practically equal conditions can be suppressed. The invention - @ s. = _, Emä:;) e fuel element for nuclear reactors, especially for nuclear reactors with fast neutrons due to a circulating liquid metal, d & s a long_, e- stretched stick out of a. @) lutonium-containing nuclear fuel. holds, which is enclosed by an inner shell, which from consists of a substance which r: it dem -lutonium no Lutelcti - '# - um forms, and has such -bmessunjen, at least between one end of the rod and the Hille ei.- ,. evacuated or a A cavity containing an inert gas remains, and there is an o, uiil) ere Has necks, which auo one for cup-shaped fission products impermeable material and the inner halls oohetzt, being in the space @ `between the inner shell and the outer lid has a heat-transferring substance, according to patent ... (application C 29 373 VIIIc, '21g of March 13, 1963), is essentially geke: ulzeiehnet by one along the axis of the rod provided channel that opens into the cavity. The invention further relates to a method citr Production of a fuel element according to the invention, the rela- tive is simple and always results in consistent results can be carried out safely. This manufacturing process in which in itself already from the main patent belcantiter way represents fuel material is poured into a tube, the Mc.terial of which is not a nutectic with the fuel, then the ends of the pipe are closed. sen to form the Linzre 1i, .ll e, then the inner shell is fitted into an outer sleeve, between. the 1iJ11.e and the .lse the heat transferring a @ imaterial eireg- Bring and finally the outside - '. Lse tightly closed wirdi is gel in the vasual: e_ulzeich :: ct that one in front of pouring the fuel material in the inner shell in that these i: 11e form, ie their vain core in the direction of the axis this pipeB is used, which after Verfeäti, Ten the cast is removed. To ii; i.rieren 2 # rliuterLUlg der. @@ 'r -._' inü @ u @ g vrird only = ore the ,. Drive fair the production of a fuel according to the invention.

elements unter Hinweis auf die Zeichnung ausführlicher beschrieben. In der Zeichnung zeigent -. Fig. 1,20 und 4 in schematischer Darstellung und in einander entsprechenden axialen Längsschnitten " verschiedene stufen der Herstellung des Brenn-- stoffelements; Fig. 5 einen Querschnitt längs der Egchnittiinie Y-V der Fig. 2; .elements with reference to the drawing. In the drawing shows -. The Egchnittiinie YV 5 shows a cross section along the Figure 2, "different stages of 1.20 and Fig 4 shows a schematic representation and in corresponding axial longitudinal sections of the production of the Brenn-- material elements...;.

Fig. 6 eine schematische Teildarstellung der Vorrichtung,. die zum Ausbohren des-Kernes aus dem Brerulstoffstab dient, damit dieser die in Ilig. 4 dargestellte Form erhält, Das erfindungsgemäße Brennstoffelement entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem @n Pig. 1 des Hauptpatents dargestellten Brennstoffelement. Dieses Brennstoffelement, das auch '$Nadel" genannt wird, enthält. einen Brennstoffstab 6 aus einer Kernbrennstoff-Zegierung, die in eine aus mehreren miteinander . verschweißten Teilen bestehende innere Hülle eingeschlossen isti_die zwieohen dem Stab und einem der Endabschlüsse der Hülle einen Ausdehnungsraum frei läßt. Die innere Hille 8 besteht aus einem Metall oder einer Legierung eines das mit dem Plutonium kein Butektikum bildet, im allgemeinen aus Niob.Fig. 6 is a schematic partial representation of the device. which is used to drill out the core from the Brerulstoffstab, so that this in Ilig. Shape shown 4 is, The fuel element according to the invention corresponds in its basic design the @n Pig. 1 of the main patent shown fuel element. This fuel element, also called a "needle", contains a fuel rod 6 made of a nuclear fuel alloy which is enclosed in an inner shell consisting of several parts welded together, which leaves an expansion space between the rod and one of the ends of the shell The inner shell 8 consists of a metal or an alloy that does not form a butectic with the plutonium, generally niobium.

Die Fig. 1 bis 5 der Zeichnung zeigen die aufeinander folgenden Stufen der Herstellung des inneren Teiles des Brenn-' }stoffelemente, das den Stab 6 aus Kernbrennstoffmaterial und seine innere Hülle 8 umfaßt, Das Rohr 36,l das in Fig. 1 dargestellt ist und als b)Gießform't für das Brennstoffmaterial dient, wird aus einem Niob-Rohr mit einer Länge hergestellt, die größbr ist als die Länge des Brennstoffstabes Ges wird entsprechend .der Fig. 't geformt und an einem Abschlußkörper 38 befestigt, wie bei der Herstellung des Brennstoffelements nach dem Hauptpatent.The Figs. 1 to 5 of the drawings show the successive stages of manufacture of the inner part of the combustion '} phosphor elements, including the rod 6 of nuclear fuel material and its inner shell 8, the tube 36, l which is shown in Fig. 1 and as b) Gießform't serves for the fuel material, is made of a niobium tube with a length that is greater than the length of the fuel rod Ges is shaped accordingly .der Fig. 't and attached to a closure body 38, as in the manufacture of the fuel element according to the main patent.

Vor dem Gießen der flüssigen Brennstofflegierung in dem Form-Rohr 36 wird in dieses Rohr ein langgestreekter Kern singesetzt, der den Baum für den zentralen Kanal des Brennstoffkörpers einnimmt; dieser Kern, der beispielsvreise aus einem Graphitstab 46 von geeigneter Länge besteht, ist in der Achse des Rohres 36 angeordnet. Seine Zentrierung ist an dem unteren Ende durch Einschieben in eine axiale Bohrung ¢8 gesichert, die zu diesem Zweck in dem rohrseitigen Ende des Abschlußkörpers 38 vorgesehen ist; am anderen Ende wird der Kernstab mit Hilfe von biegsamen und hochtemperaturbeständgen Hetal3.drähten 50 festgelegt. Man kann beispielsweise zwei überkreuz angeordnete Drähte verwenden, die durch die Wand des Rohrns 36 in einen Abschnitt dieses Rohres hindurchgeführt sind, der später abgeschnitten wird (Fig. 2 und 5). Man kann hierzu Drähte aus Tantal, Nolybdän, Niob usw. verwenden.Before pouring the liquid fuel alloy into the molding tube 36 a long-stretched core is set in this tube, which forms the tree for the occupies central channel of the fuel body; this core, the exemplary consists of a graphite rod 46 of suitable length is in the axis of the tube 36 arranged. Its centering is at the lower end by sliding it into a axial bore ¢ 8 secured for this purpose in the pipe-side end of the closure body 38 is provided; at the other end the core rod is made with the help of bendable and high temperature resistant Hetal 3rd wires 50 specified. For example, you can have two Use criss-cross wires running through the wall of tube 36 into a Section of this pipe, which will be cut off later (Fig. 2 and 5). Wires made of tantalum, nolybdenum, niobium, etc. can be used for this purpose.

hach Beendigung dieser Vorbereitungsarbeiten erfolgt das Gießen des Brennstoffkörpers nach der in dem Hauptpatent be_ schriebenen Arbeitsweise; das Rohr wird anschließend auf dasjenige Längenmaß abgeschnitten, das mit der Brennstofflegierung gefüllt ist, und auch der äußere Ansatz dea Abschlußkörpers 38 wird entfernt, so däß nur der unterseitige Abdichtungszapfen mit dem Rohr verbunden bleibt. Die zu entfernenden Teile sind in der Fig. 3 mit strichpunktierten- Linien dargestellt.After this preparatory work has been completed, the Fuel body according to the main patent written way of working; the tube is then cut to the length that corresponds to the fuel alloy is filled, and the outer approach dea closing body 38 is removed, so that only the sealing pin on the underside remains connected to the pipe. The too removing parts are shown in Fig. 3 with dash-dotted lines.

Unter inerter Atmosphäre wird der in seine innere Hülle 8 eingeschlossene Brennstoffstab 6 auf eine Drehbank 52 (Fis. 6) gebracht, die zum Ausbohren des Kernes bestii.:mt ist. Der mit seiner Hülle versehene Brennstoffst#ib wird zwischen den Klemmbacken des festen Sxoindelstockes 54 festgelegt; der Reitstock 56 wird mit einem Bohrwerkzeug 58 bestückt, das vorzugsweise ein Drehbohrwerkzeug in Rohrform ist' dessen End-Stirnfläche nach Art eines uteinbohrers ausgeführt ist, und. es wird ein Argon-Umlauf geschaffen, um den beim =yusbohren des Kernes (insbesondere aus Graphit) entstehenden Bohrabfall durch das Bohrerrohr während des Bohrvorganges abzusaugen. Diese Arbeitsueise ist jedoch nicht unbedingt erforderlich:; mit einem vollen Bohrer durchgefürrte Versuche haben ebenfalls befriedigende Ergebnisse gezeigt. Für die Serienherstellung erscheint jedoch die Verwendung eines hohlen Bohrwerkzeuges mit einer Bohrabfallabsaugung durch Argon. weg-:n der damit verbundenen Vorteile zweckmäßig.It is enclosed in its inner shell 8 under an inert atmosphere Fuel rod 6 placed on a lathe 52 (Fis. 6) used to drill out the core bestii.:mt is. The fuel stump # ib provided with its shell is between the Fixed jaws of the fixed headstock 54; the tailstock 56 is with equipped with a drilling tool 58, which is preferably a rotary drilling tool in tubular form is' whose end face is designed in the manner of a utein drill, and. it an argon circulation is created to prevent the drilling of the core (in particular from graphite) resulting drilling waste through the drill pipe during the drilling process suck off. However, this procedure is not absolutely necessary :; with a Tests carried out with full drills have also shown satisfactory results. For series production, however, the use of a hollow drilling tool appears with a drilling waste extraction system using argon. away-: n the advantages associated with it expedient.

Nachdem der stabförmige Kern 56 entfernt und der a Iiale Kanal 60 frei gemacht ist, hit der Brennstoffstab 6 die ass Pig. 4 ersichtliche Gestalt. Die weitere Folge von Arbeitsvorgängen für die endgültige Fertigstellung des Brennstoffelemente entspricht derjenigen, die in dem iiaupthatent beschrieben iet# auf das zurtiokgegriffen werden kann. Man kann jedoch das Volumen der am Stabende vorgesehenen Ausdehnungskammer gegebenenfalls verkleinern, weil auch noch der zentrale Kanal 60 als Ausdehnungsraum ausgenutzt wird. ' Der zentrale Kanal 60 kann beispielsweise einen Durchmosser von 1'8 mm haben, wenn der Brennstoffstab 6 eine hänge von 400 mm und einen größten äußeren Durchmesser von 5,3 mm aufweist. .After the rod-shaped core 56 has been removed and the axial channel 60 has been cleared, the fuel rod 6 hits the pig. 4 visible shape. The further sequence of operations for the final completion of the fuel element corresponds to that described in the iet # that can be used. However, the volume of the expansion chamber provided at the end of the rod can optionally be reduced because the central channel 60 is also used as an expansion space. The central channel 60 can, for example, have a diameter of 18 mm if the fuel rod 6 has a length of 400 mm and a largest outer diameter of 5.3 mm. .

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das einzige Iierstellungsverfahren das oben beschrieben wurde es dürfte klar sein, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung Äuoh Abweichungen in der Ausbildung des Elements oder des Herstellungsverfahrens umfaßt, die innerhalb des Rahmens von Äquivalenten bleiben, und auch die Verwendung jeder Vorrichtung die zur Durchführung des Herstellungsverfahrene dient.The invention is of course not limited to the only manufacturing process that has been described above, it should be understood that the scope of the present Invention Deviations in the design of the element or the manufacturing process which remain within the scope of equivalents, as well as the use each device used to carry out the manufacturing process.

Claims (1)

Patentansprüche 1. reniistoffelement für ILernreaktoren, insbesondere für durch. ein umlaufendes flüssiges Metall r;eiiühlte Kernreaktoren mit schnellen Neutronen, das einen langgestreckten Stab aus einem plutoniumhaltigen der von einer inneren H: _11e umschlossen ist, ` welche aus einem Stoff besteht, der mit dem Plutonium kein Eutektikum bildet, und solche .Ab- messun,#;en hat, daß zumindest zwiochen einem Ende des Stabes und der Hü'L --IL_e ein luftleerer oder ein inertes Gas enthaltender ilohlraum verbleibt, und das eine äußere Hiilse aufweist, welche _ aus einem fair gasförmige Spaltprodukte undurchlässigen IjIaterial besteht und die innere Hülle einschließt, wobei sich in dem Raum zwischen der inneren 11ii__le und der @,ul@eren lse ein w@x-rieübertragender Stoff befindet, nach Patent.... (Änmeldung C 219 373 VIIIc/21 g vom 13.3.1963), g e -i e n n z e i -c 11 n e t , durch einen längs der Ach--e des Stabes (6) vorgesehenen j@anal (60)9 der sich in den Hohlraum öffnet. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelements i1L7.ch Anspruch 1, bei dem dws Brennstoffmateriz:#l in einem Rohr Are- gossen wird,- desse'2 Material !-.einuteti_=;;m z:it :_em 31-rnstoff bildet, dann die Lnien des Rohres verschlossen werden,.- um c#i(2 i--nere fälle zu bi:=_:Len, anschließend die i=ines.-e ,zu,-.ere Hülse eingesetzt 7ri:d, zwischen die und Dino, _-__--,e das wärmeübertragende Material eingebracrit und schließlich die* äu13ere Hülse dicht ver,-:clzlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Gießen des Breni:.stoffma terials in der inneren Hü_Lle in das diese helle bildende Rohr einen Kern in Richtung der Achse dieses Rohres einsetzt, der nach Verfestigen des Gu:- }us entfernt wird, 30 'Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekeil_nzeichnet, daß der Kern in dem Rohr durch -vrällte aus einem liochhitzebest@in- digen tietal1, wie fantal, llol,TbdL"Ln und Iiob zentriert und an : eri Rohr fest";el egt wiv--do ^-o Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gelzennzeichnet, dp.ß der l.,ern durch Ausbohren entfernt wirdo Lir en nach @^nspruch 4, dadurch r;e'iennzeiciiiiet, da.ß das [email protected]:@bc_'>iren mit Zille eines [email protected]@;es erfolgt, bei dem die Bohrspäne oder -abfülle des Kernes durch das Bohle T,2rlzzeug hindurch abgesaugt werden. Claims 1. Reniistoffelement for IL-learning reactors, in particular for by. a circulating liquid metal r; cooled nuclear reactors with fast neutrons that form an elongated rod a plutonium-containing that of one inner H: _11e enclosed is, 'which consists of a fabric, which does not form a eutectic with the plutonium, and such. messun, #; en has that at least two one end of the rod and der Hü'L --IL_e an evacuated gas or containing an inert gas lumen remains, and which has an outer sheath, which _ Made of a fair gaseous fission products impermeable IjImaterial consists and includes the inner shell, in which Space between the inner 11ii__le and the @, ul @ eren lse w @ x-transferring substance is located, according to patent ... C 219 373 VIIIc / 21 g of 13.3.1963) , ge -iennz ei -c 11 net, by a j @ anal provided along the axis of the rod (6) (60) 9 which opens into the cavity. Process for the production of a fuel element i1L7.ch Claim 1, in which dws fuel material: #l in a tube are- is poured, - desse'2 material! -. einuteti _ = ;; mz: it: _em 31-rnstoff then the lines of the pipe are closed - around c # i (2 i - nere cases for bi: = _: Len, then the i = ines.-e , to, - .ere sleeve inserted 7ri: d, between the and dino, _-__--, e the heat transferring material is burnt and finally the * outer sleeve tightly closed, characterized by that before pouring the Breni: .stoffma terials in the inner Wrap a core in the direction of this bright tube the axis of this pipe is used, which after solidification of the Gu: -} us is removed, 30 'Method according to claim 2, characterized in that the core in the tube was swirled from a liochhitzebest @ in- digen tietal1, like fantal, llol, TbdL "Ln and Iiob centered and an: eri pipe firm "; el egt wiv - do ^ -o method according to claim 2 or 3, characterized in that dp.ß the l., ern is removed by drilling out o Lir en according to @ ^ nspruch 4, thereby r; e'iennzeiciiiiet that the . @ .. u: @bc _ '> iren mit Zille einer Hohlenohr @ i-.ikzeu @; it takes place at which the drilling chips or filling of the core through the screed T, 2 items are sucked through.