DE4218023A1

DE4218023A1 - Gas tight fuel rod for a water cooled nuclear reactor - includes metal stoppers between the fuel pellet column and top and bottom mounting arrangements

Info

Publication number: DE4218023A1
Application number: DE4218023A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ludwig Dr Nissen; Heinz-Guenter Rund; Hans-Peter Fuchs; Frank Dr Wunderlich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1992-06-01
Publication date: 1993-12-02

Abstract

A fuel rod for a nuclear reactor (PWR or BWR). The cladding tube (1) is closed tightly at its bottom and top ends by steel end caps (5, 10). A fuel pellet (2) column with bottom and top fuel pellets (3, 4) is held in position by metal (steel) stoppers (7, 8) at below (7) and above (8) the bottom (3) and top (4) fuel pellets. Between the top metal stopper (8) and end cap (10) is a compression spring (9). At the bottom end there is bottom pellet (3), metal stopper (7), pipe shaped support body (6) and end cap (5). The metal stopper (7) is fastened to the support body (6) with its lower and sitting inside it. A cylindrical space (20) is created above the end cap (5). This space (20) is linked by a channel to a small space between the fuel pellet column and the cladding and enables fussion gases to be controlled. USE/ADVANTAGE - The fuel rods are intended for use in commercial PWRs, where they would be used collected in bundles within fuel elements. The claimed advantage of the fuel rods are: i) use of heat conductivity stoppers (7, 8) rather than heat isolating pellets means that the bottom (and top) fuel pellet does not become over heated, ii) there is no sudden temp. step. iii) smaller temp. loading of the cladding at the fuel rod bottom, iv) better neutron flux attenuation by the metal stoppers, v) easier fuel rod assembly and insertion.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstab eines Kernreaktors mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a fuel rod of a nuclear reactor with those mentioned in the preamble of claim 1 Characteristics.

Aus der DE-OS 14 39 924 ist ein Brennstab eines Kernreaktors bekannt, der ein an beiden Enden gasdicht verschlossenes Hüllrohr und mehrere metallische Ring scheiben enthält. Die Ringscheiben weisen an ihrem Umfang eine umlaufende Nut auf, in die Vorsprünge des Hüllrohres eingreifen, um die Ringscheiben in vorgegebenen axialen Positionen zu fixieren. Dadurch ist das Hüllrohr-Innere in einzelne, miteinander verbundene Kammern eingeteilt, die auch dann noch genügend Raum für darin aufgestapelte Brennstoff-Tabletten ("Pellets") liefern, wenn diese Pellets beim Reaktorbetrieb schwellen. Die Ringscheiben fangen dabei auftretende Kräfte ab, ermöglichen einen Austausch gasförmiger Spaltprodukte, die sich in Hohlräumen an den Brennstabenden sammeln, und leiten über die Stirnseite der anliegenden Pellets Wärme an das Hüllrohr ab.From DE-OS 14 39 924 a fuel rod is one Nuclear reactor known to be gas-tight at both ends sealed cladding tube and several metallic rings contains slices. The washers have on their circumference a circumferential groove in the projections of the cladding tube intervene to the washers in predetermined axial To fix positions. As a result, the inside of the cladding tube is in individual, interconnected chambers divided, the even then enough space for piled up in it Deliver fuel tablets ("pellets") if these Swell pellets during reactor operation. The washers intercept occurring forces, enable one Exchange of gaseous fission products, which are in Collect voids at the ends of the fuel rods and transfer them the front of the adjacent pellets heat to the Cladding tube.

Bei modernen, handelsüblichen Druckwasser-Reaktoren höherer Leistung treten aber infolge der schlechten Wärmeleitfähigkeit des oxidischen Brennstoffs im Inneren der Brennstofftabletten ("Pellets") sehr hohe Temperaturen auf, die über die metallischen Scheiben zu einer starken lokalen Erwärmung des Hüllrohres führen können, bei der die erforderlichen Grenzwerte der mechanischen Stabilität nicht mehr sichergestellt sind. Denn die langen, dünnen Hüllrohre müssen nicht nur dem Kontakt mit den schwellenden Brennstoff-Pellets Stand halten, sondern auch den hohen Druck des außen am Brennstab entlangströmenden Kühlmittels und den infolge der anfallenden Spaltprodukte ständig wachsenden Gasdruck im Hüllrohr-Hohlraum abfangen. Bereits unter den normalen thermischen Beanspruchungen und der Strahlenbelastung im Reaktorbetrieb tritt ein "Hüllrohr- Kriechen" auf, bei dem sich der Außendurchmesser des Hüllrohres verringert, aber die Rohrlänge wegen des Neu tronenbeschusses wächst. Bei den jeweils zu Brennelementen gebündelten Brennstäben muß durch besondere konstruktive Maßnahmen verhindert werden, daß durch entsprechende mechanische Strukturveränderungen Deformationen der Brennstäbe entstehen.With modern, commercially available pressurized water reactors higher performance occur however due to the bad Thermal conductivity of the oxidic fuel inside the fuel tablets ("pellets") very high temperatures on that over the metallic washers to a strong local heating of the cladding tube can lead to the required mechanical stability limits are no longer guaranteed. Because the long, thin ones Cladding tubes do not only have to contact the swelling Fuel pellets withstand, but also the high Pressure of the coolant flowing along the outside of the fuel rod and constantly due to the resulting fission products Catch growing gas pressure in the cladding tube cavity. Already under the normal thermal stresses and Radiation exposure in reactor operation occurs in a "cladding tube Creep ", in which the outer diameter of the Cladding tube reduced, but the tube length because of the new bullet fire grows. For each of the fuel elements bundled fuel rods must be by special constructive Measures are prevented by appropriate mechanical structural changes deformations of the Fuel rods are created.

Ein aus der DE-AS 17 64 150 bekannter Brennstab natriumge kühlter Brutreaktoren enthält eine Brennstoffsäule, deren Mittelteil aus UO₂/PuO₂ besteht, an die sich jeweils Pellets aus Brütstoff anschließen. Diese Säule ist von einem Hüllrohr seitlich umgeben, dessen oberes Ende von einem Endstopfen ("Kappe") gasdicht verschlossen und mit einem koaxialen Stützrohr innen verstärkt ist, dessen Zentralraum einen oberen Sammelraum für gasförmige Spaltprodukte liefert. Das untere Ende des Hüllrohres ist ebenfalls durch ein einen Gas-Sammelraum umgebendes Stützrohr verstärkt, wobei sich zwischen dem untersten Pellet der Säule und dem unteren Gas-Sammelraum ein Abstandsring mit einer seitlich umlaufenden Nut befindet, den in die Nut eingreifende Vorsprünge des Hüllrohres halten. Dieser Abstandsring aus Edelstahl ist vom spaltbaren Brennstoff der Säule über die Pellets aus Brutstoff getrennt, und da derartiger Brutstoff thermisch isolierend wirkt, ohne selbst eine nennenswerte Wärme zu entwickeln, besteht keine Gefahr, daß sich die Bodenkappe am unteren Ende des Brennstabs ("unterer Endstopfen") durch die hohen Betriebstemperaturen im spaltbaren Brennstoff übermäßig erwärmt.A fuel rod of cooled breeding reactors known from DE-AS 17 64 150 contains a fuel column, the middle part of which consists of UO ₂ / PuO ₂ , each of which is followed by pellets of breeding material. This column is laterally surrounded by a cladding tube, the upper end of which is sealed gas-tight by an end plug (“cap”) and reinforced on the inside with a coaxial support tube, the central space of which provides an upper collecting space for gaseous fission products. The lower end of the cladding tube is also reinforced by a support tube surrounding a gas collecting space, with a spacer ring with a groove running around the side being located between the lowest pellet of the column and the lower gas collecting space, holding the projections of the cladding tube engaging in the groove. This spacer ring made of stainless steel is separated from the fissile fuel of the column via the pellets made of fuel, and since such fuel has a thermally insulating effect without generating any appreciable heat itself, there is no risk that the bottom cap at the lower end of the fuel rod ("lower end plug ") heated excessively by the high operating temperatures in the fissile fuel.

Kommerzielle Brennelemente wassergekühlter Kernreaktoren enthalten heute meist eine Tablettensäule mit überein andergestapelten Brennstoff-Peletts aus Uranoxid und/oder Plutoniumoxid, die von einem metallischen Hüllrohr seitlich umgeben sind. Dieses Hüllrohr ist am oberen Ende mit einer Endkappe gasdicht verschlossen, wobei eine Druckfeder zwischen dieser Endkappe und der Tablettensäule im Hüllrohr einen Hohlraum zum Sammeln von gasförmigen Spaltprodukten frei hält. Am unteren Ende ist das Hüllrohr durch eine Bodenkappe gasdicht abgeschlossen, die einen in axialer Richtung in das Hüllrohr hineinragenden Stütz körper, z. B. ein Rohrstück, trägt, auf dem die Tabletten säule aufliegt.Commercial fuel elements of water-cooled nuclear reactors today mostly contain a tablet column stacked fuel pellets made of uranium oxide and / or Plutonium oxide from a metallic cladding tube are surrounded laterally. This cladding tube is at the top sealed gastight with an end cap, one Compression spring between this end cap and the tablet column in the cladding tube a cavity for collecting gaseous Keeps split products free. At the lower end is the cladding tube sealed gas-tight by a bottom cap, which one in Support protruding axially into the cladding tube body, e.g. B. carries a piece of pipe on which the tablets column rests.

Damit die mechanische Tragfähigkeit des Stützkörpers, die bei steigender Temperatur abnimmt, während des Reaktorbetriebs nicht überschritten wird, ist bei dieser Konstruktion bisher vorgesehen, zwischen dem untersten aus spaltbarem Material bestehenden Pellet der Säule und dem Stützkörper eine wärmeisolierende Tablette, z. B. aus Natururan oder brennstofffreier Keramik, anzuordnen. Bei Pellets aus Mischoxiden ist auch zwischen dem obersten Brennstoff-Pellet und der Druckfeder eine derartige Isolationstablette angeordnet. Bei UO₂-Pellets wird häufig eine etwa 0,5 bis 1 mm dünne Stahlscheibe auf das oberste Brennstoff-Pellet gelegt und an der Druckfeder punktgeschweißt, um deren Federkraft flächenförmig auf die Tablettensäule zu übertragen.So that the mechanical load-bearing capacity of the support body, which decreases as the temperature rises, is not exceeded during reactor operation, this construction has hitherto provided for a heat-insulating tablet, for example, between the lowest pellet of the column consisting of fissile material and the support body. B. made of natural uranium or fuel-free ceramic. In the case of pellets made of mixed oxides, such an insulation tablet is also arranged between the uppermost fuel pellet and the compression spring. In the case of UO ₂ pellets, an approximately 0.5 to 1 mm thin steel disc is often placed on the uppermost fuel pellet and spot-welded to the compression spring in order to transfer its spring force to the tablet column.

Zusätzlich zu den Endstopfen (Endkappe und Bodenkappe) sind also mehrere Einzelteile (Stützkörper, Isolationstablette, Abschlußscheibe und Druckfeder) erforderlich, wodurch sich der Aufwand für Fertigung, Montage und Kontrolle der Brennstäbe erhöht. Die Isolationstablette am unteren Brennstabende hat in der Regel etwa die Abmessungen eines Brennstoff-Pellets (z. B. Zylinderdurchmesser 9 mm, Zylinderhöhe 11 mm) und nimmt daher ein verhältnismäßig großes Volumen ein, das damit nicht mehr zur Aufnahme von Brennstoff oder gasförmigen Spaltprodukten zur Verfügung steht. Die äußersten Brennstoff-Pellets erzeugen häufig eine höhere Leistung, da hier ein höherer Neutroneneinfall vorliegt als in der Mitte der Brennstoffsäule. Außerdem entsteht in axialer Richtung an den isolierenden Tabletten ein abrupter Temperatursprung im Hüllrohr.In addition to the end plugs (end cap and bottom cap) are therefore several individual parts (support body, Insulation tablet, cover plate and compression spring) required, which increases the effort for manufacturing, Assembly and control of the fuel rods increased. The Isolation tablet at the bottom of the fuel rod has in the Rule about the dimensions of a fuel pellet (e.g. cylinder diameter 9 mm, cylinder height 11 mm) and therefore takes up a relatively large volume, the thus no longer to take up fuel or gaseous fission products is available. The outermost fuel pellets often produce a higher one Performance because there is a higher incidence of neutrons than in the middle of the fuel column. Also arises in axial direction on the insulating tablets abrupt temperature jump in the cladding tube.

Die Erfindung schafft eine andere Konstruktion des unteren Endes des Brennstabes.The invention provides a different construction of the lower one End of the fuel rod.

Die Erfindung sieht dabei - kurz gesagt - den Ersatz der wärmeisolierenden Tablette durch einen wärmeleitenden Metallstopfen vor.The invention sees - in short - the replacement of heat insulating tablet by a heat conductive Metal plug in front.

Dadurch wird das unterste Brennstoff-Pellet zusätzlich über seine dem Endstopfen (Bodenkappe) zugewandte Stirnseite gekühlt, so daß die Temperatur im Brennstoff dieser untersten Tablette deutlich niedriger liegt als in der Stirnfläche eines an eine isolierende Abschlußtablette anliegenden Brennstoff-Pellets. Ferner wird eine geringere Wärmebeanspruchung des Hüllrohrs erreicht als bei Ver wendung einer Isolationstablette mit dem verhältnismäßig abrupten Temperatursprung. Außerdem kann dadurch ein Teil des sonst von der Isolationstablette eingenommenen Volumens eingespart und zur Aufnahme von spaltbarem Brennstoff bzw. gasförmigen Spaltprodukten verwendet werden. Vorteilhaft ist auch, daß erhöhte Werte des Neu tronenflusses, wie sie an den Enden der Brennstoffsäulen häufig auftreten, gedämpft werden können.This makes the lowest fuel pellet additional via its end plug (bottom cap) Front side cooled so that the temperature in the fuel this lowest tablet is significantly lower than in the face of an isolating tablet adjacent fuel pellets. Furthermore, a smaller one Thermal stress on the cladding tube reached than in Ver use of an isolation tablet with the relative abrupt jump in temperature. It can also be a part the one otherwise taken up by the isolation tablet Volume saved and to accommodate fissile Fuel or gaseous fission products used will. It is also advantageous that increased values of the new tronenflusses, as at the ends of the fuel columns occur frequently, can be dampened.

Dies wird erreicht durch einen Brennstab mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This is achieved by a fuel rod with the characteristics of claim 1.

Dabei liegt also die unterste Brennstoff-Tablette, die Uranoxid und/oder Plutoniumoxid enthält, direkt auf einem Metallstopfen auf, der seinerseits unmittelbar am Stützkörper anliegt. Der Stützkörper kann z. B. ein metallisches Rohrstück sein, dessen Innenraum durch Bohrungen im Metallstopfen, durch einen seitlichen Zwischenraum zwischen Stopfen und Hüllrohr oder andere Kanäle mit einem Spalt verbunden ist, der zwischen der Pelletsäule und dem Hüllrohr liegt. Dadurch wird ein Gasaustausch zwischen dem Hohlraum und der Tablettensäule ermöglicht. Es sind aber auch andere Formen von Stützkörpern denkbar, die einen Hohlraum zwischen dem Metallstopfen und der Bodenkappe sicherstellen.So here is the lowest fuel tablet that Contains uranium oxide and / or plutonium oxide, directly on one Metal plug on, which in turn immediately on Support body rests. The support body can, for. B. a be metallic piece of pipe, the interior of which Holes in the metal plug, through a side Clearance between plug and cladding tube or others Channels connected with a gap between the Pellet column and the cladding tube. This will create a Gas exchange between the cavity and the pillar column enables. But there are other forms of Support bodies conceivable that a cavity between the Ensure the metal plug and the bottom cap.

In jedem Fall aber liegt die unterste Brennstoff tablette mit dem größten Teil ihrer Stirnseite unmittelbar an dem Metallstopfen auf, so daß hier ein guter Wärmeüber gang möglich ist. Die axiale Dicke des Metallstopfens selbst ist so gewählt, daß beim Einsatz des Brennstabs im Kernreaktor die Wärme, die in der untersten Brennstoff tablette erzeugt wird, teilweise durch Wärmeleitung über den Metallstopfen abgeleitet wird, so daß die unterste Brennstofftablette auch an ihrer Stirnseite gekühlt wird. Durch eine auf die Wärmeleistung des Pellets abgestimmte Dimensionierung des Metallstopfens kann dadurch die Temperatur im Stützkörper unter einem vorgegebenen Wert gehalten werden, bei dem die Einhaltung der Festigkeits grenzen des Strukturmaterials gewährleistet ist.In any case, the lowest fuel tablet with most of its face immediately on the metal plug so that there is a good heat transfer gear is possible. The axial thickness of the metal plug itself is chosen so that when using the fuel rod in Nuclear reactor the heat in the bottom fuel tablet is generated, partly by conduction over the metal plug is drained so that the bottom Fuel tablet is also cooled on its face. Thanks to a heat output matched to the pellet Dimensioning of the metal plug can thereby Temperature in the support body below a predetermined value be held, with the adherence to the strength limits of the structural material is guaranteed.

Wie die Rechnung zeigt, kann es bereits ausreichen, wenn etwa 10% der Pellet-Wärme über die Stirnfläche an den Metallstopfen abgegeben und über die Zylinder-Außenfläche des Stopfens an das Hüllrohr abgeleitet wird. Hierzu kann es u. U. bereits genügen, wenn der Stopfen auf einer axialen Länge von etwa 2 mm locker am Hüllrohr anliegt.As the calculation shows, it can be enough if about 10% of the pellet heat on the face to the Metal plugs released and over the cylinder outer surface of the plug to the cladding tube. This can it u. It may already be sufficient if the plug is on a axial length of about 2 mm lies loosely on the cladding tube.

Vorteilhaft kann der Metallstopfen aus Stahl bestehen, wobei die neutronenabsorbierende Wirkung des Stahls Erhöhungen im Neutronenfluß, wie sie an den Enden von Brennstoffsäulen häufig beobachtet werden, reduziert. Die thermodynamische Berechnung ergibt, daß bei den heute üblichen Brennstoff-Anreicherungen eine axiale Länge des Metallstopfens von wenigen Millimetern ausreicht, um genügend Wärme über die Pellet-Stirnseite in axialer Richtung in den Metallstopfen zu leiten und über den metallischen Stützkörper und das Hüllrohr abzuführen. Vorzugsweise liegt die Höhe des Stopfens deutlich unter der Höhe eines Brennstoff-Pellets.The metal stopper can advantageously be made of steel, the neutron absorbing effect of the steel Increases in the neutron flux as seen at the ends of Fuel columns are often observed to be reduced. The thermodynamic calculation shows that at today usual fuel enrichments an axial length of the Metal plug of a few millimeters is sufficient to enough heat over the pellet face in axial Direction in the metal plug and over the metallic support body and the cladding tube. The height of the stopper is preferably significantly below the amount of a fuel pellet.

Dabei ist vorteilhaft, wenn auch die oberste Brennstoff tablette unmittelbar an einem weiteren Stahlstopfen anliegt, an dem die Druckfeder direkt abgestützt ist. Dieser weitere Stahlstopfen verteilt nicht nur die Federkraft der Druckfeder auf eine große Anlageflache an der Stirnseite des obersten Brennstoff-Pellets, sondern kann in ähnlicher Weise auf die Kühlung des obersten Pellets und vor allem eine gewünschte Schwächung des Neutronenflusses abgestimmt sein und die zu diesem Zweck häufig vorgesehenen Abschluß-Tabletten aus Natururan ersetzen. Damit sinkt auch die Temperatur im Raum über dem obersten Pellet, wodurch der Gasdruck verringert wird.It is advantageous if the top fuel tablet directly on another steel stopper is present, on which the compression spring is supported directly. This additional steel plug not only distributes the Spring force of the compression spring on a large contact surface the front of the top fuel pellet, but can similarly affect the cooling of the top one Pellets and above all a desired weakening of the Neutron flux be tuned and that for this purpose often provided final tablets from natural uranium replace. This also lowers the temperature in the room above uppermost pellet, which reduces the gas pressure.

Diese und weitere Ausbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben und anhand von zwei Ausführungs beispielen und 4 Figuren näher erläutert. Es zeigtThese and other embodiments of the invention are in Subclaims specified and based on two execution examples and 4 figures explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Brennstab, teils im Längsschnitt, teils in Seitenansicht, Fig. 1 shows a fuel rod according to the invention, partly in longitudinal section, partly in side view,

Fig. 2 und Fig. 3 vorteilhafte Ausbildungen des Metallstopfens und des Stützkörpers am unteren Brennstabende, und Fig. 2 and Fig. 3 advantageous embodiments of the metal plug and the support body at the lower end of the fuel rod, and

Fig. 4 und Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform für den weiteren Metallstopfen am oberen Brennstabende, im Längs- und Querschnitt. Fig. 4 and Fig. 5 shows a preferred embodiment for the further metal plug on the upper end of the fuel rod, in longitudinal and cross section.

Fig. 1 zeigt den Brennstab, der im Mittelteil aufgebrochen gezeigt ist. Im Hüllrohr 1 befinden sich die aufeinander gestapelten Brennstoff-Pellets 2. Dabei können die einzelnen Pellets der Säule mit unterschiedlichem Gehalt an angereichertem Uran oder insbesondere einer Mischung aus Uranoxid und Plutoniumoxid bestehen, und in ihrer Zusammensetzung varieren. Es können z. B. auch Bereiche vorgesehen sein, in denen die Pellets aus einem Neutronengift wie Gadolinium oder aus Natururan bestehen. Das unterste Pellet 3 und das oberste Pellet 4 der Säule jedoch enthalten spaltbares Material, sie entwickeln daher im Reaktorbetrieb eine thermische Leistung, die in den metallischen Strukturteilen der benachbarten Bereiche A und B zu keinen unzulässigen temperaturbedingten Veränderungen führen darf. Fig. 1 shows the fuel rod, which is shown broken in the middle part. The fuel pellets 2 stacked one on top of the other are located in the cladding tube 1 . The individual pellets of the column can consist of different levels of enriched uranium or in particular a mixture of uranium oxide and plutonium oxide, and vary in their composition. It can e.g. B. areas may also be provided in which the pellets consist of a neutron poison such as gadolinium or natural uranium. The bottom pellet 3 and the top pellet 4 of the column, however, contain fissile material, so they develop a thermal power in reactor operation, which must not lead to inadmissible temperature-related changes in the metallic structural parts of the adjacent areas A and B.

Am unteren Ende ist das Hüllrohr 1 durch den unteren Endstopfen (Bodenkappe 5) gasdicht verschlossen, von dem aus ein Stützkörper, der als ein zum Hüllrohr 1 konzentrisches Rohrstück 6 ausgebildet ist, in das Innere des Hüllrohres axial hineinragt. Dieses Rohrstück ist mit einem Metallstopfen 7 fest verbunden.At the lower end, the cladding tube 1 is sealed gas-tight by the lower end plug (bottom cap 5 ), from which a support body, which is designed as a tube piece 6 concentric with the cladding tube 1 , projects axially into the interior of the cladding tube. This piece of pipe is firmly connected to a metal plug 7 .

Das obere Endpellet 4 liegt mit dem überwiegenden Teil seiner Stirnfläche flach direkt an einem weiteren Metallstopfen 8 an, der ebenfalls fest mit einer Druckfeder 9 verbunden sein kann, die an einem das obere Ende des Hüllrohres 1 gasdicht verschließenden Endstopfen (Endkappe 10) abgestützt ist.The upper end pellet 4 lies flat with the major part of its end face directly against a further metal plug 8 , which can also be firmly connected to a compression spring 9 which is supported on an end plug (end cap 10 ) which closes the upper end of the cladding tube 1 in a gas-tight manner.

Zwischen den letzten Brennstofftabletten 3, 4 und dem Rohrstück 6 bzw. der Druckfeder 9 befindet sich ein Auflageteil 11 des jeweiligen Metallstopfens. Dieses Auflageteil 11 kann ein verjüngtes Stopfenteil 12 tragen, an dem ein ringförmiger Rand 13 des Stützkörpers bzw. Windungen 14 der Druckfeder 9 seitlich angreifen, wie die Fig. 2 und 3 für den Bereich A in Fig. 1 und die Fig. 4 und 5 für den Bereich B zeigen.Between the last fuel tablets 3 , 4 and the pipe section 6 or the compression spring 9 there is a support part 11 of the respective metal plug. This support part 11 can carry a tapered plug part 12 on which an annular edge 13 of the support body or windings 14 of the compression spring 9 engage laterally, as shown in FIGS. 2 and 3 for area A in FIG. 1 and FIGS. 4 and 5 show for area B.

Da bei dieser Konstruktion auch das verjüngte Stopfenteil an der Wärmeabfuhr beteiligt ist, würde eine Gesamtlänge des Stopfens von mindestens 2 mm, z. B. von etwa 5 bis 6 mm genügen; um jedoch auch bei einer Verschlechterung des Wärmeübergangs zwischen dem Stopfen 7 und dem metallischen Stützkörper 6 eine ausreichende Kühlung des Pellets 3 sicherzustellen, können für den Auflageteil 11 und den Stopfenteil 12 jeweils eine Länge von etwa 5 mm vorgesehen sein, wobei der Stopfen aus Stahl gefertigt ist und dadurch neutronenabsorbierend wirkt. Dies gilt auch für den Stopfen 8 am oberen Brennstab-Ende.Since in this construction the tapered plug part is also involved in the heat dissipation, a total length of the plug of at least 2 mm, e.g. B. from about 5 to 6 mm are sufficient; However, in order to ensure adequate cooling of the pellet 3 even if the heat transfer between the plug 7 and the metallic support body 6 deteriorates, a length of approximately 5 mm can be provided for the support part 11 and the plug part 12 , the plug being made of steel and has a neutron absorbing effect. This also applies to the plug 8 at the upper end of the fuel rod.

Der Stützkörper 6 sichert einen Hohlraum 20 zwischen dem Metallstopfen 7 und der Bodenkappe 5, der z. B. gemäß Fig. 2 über einen axialen Durchtrittskanal 21 mit Spalten 15 zwischen den Pellets der Säule und dem Hüllrohr verbunden sein kann, um beim Reaktorbetrieb entstehende Gase in den Hohlraum 20 zu leiten können. Die Befestigung des Metallstopfens 11 am Stützkörper 6 kann über an der Mantelfläche des Metallstopfens entlang laufende Nuten 22 erfolgen, in die Vorsprünge 23 des Stützkörpers eingreifen. Diese Vorsprünge können z. B. Wulste sein, die durch Stauchen des in Fig. 2 gezeigten, ringförmigen Stützkörpers in die Nuten 22 eingetrieben werden.The support body 6 secures a cavity 20 between the metal plug 7 and the bottom cap 5 , the z. B. can be connected according to FIG. 2 via an axial passage channel 21 with gaps 15 between the pellets of the column and the cladding tube, in order to be able to conduct gases generated during reactor operation into the cavity 20 . The metal plug 11 can be fastened to the support body 6 via grooves 22 running along the outer surface of the metal plug, into which projections 23 of the support body engage. These projections can e.g. B. beads that are driven by upsetting the annular support body shown in Fig. 2 in the grooves 22 .

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 ist die Befesti gung zwischen dem verjüngten Teil 12 des Metallstopfens und dem Rohrstück 24 durch einen Schrumpfsitz sicherge stellt, der z. B. dadurch hergestellt wird, daß der Bolzen tiefgekühlt und in das (gegebenenfalls erwärmte) Ende des Rohrstücks 24 eingesetzt wird, so daß nach einem Temperaturausgleich und einer entsprechenden Durchmesser änderung der Teile eine feste Verbindung entsteht. Um den Gasaustausch mit den Pellets zu ermöglichen, kann z. B. die seitliche Bohrung 25 vorgesehen sein.In the embodiment of FIG. 3, the fastening is supply between the tapered part 12 of the metal plug and the pipe section 24 by a shrink fit, which, for. B. is produced by deep-freezing the bolt and inserting it into the (possibly heated) end of the tube piece 24 , so that a fixed connection is formed after temperature compensation and a corresponding change in the diameter of the parts. In order to enable gas exchange with the pellets, e.g. B. the lateral bore 25 may be provided.

Der Metallstopfen selbst jedoch wird in das Hüllrohr mit einem erheblichen seitlichen Spiel eingesetzt, das eine thermische Ausdehnung des Metallstopfens gestattet. Durch dieses Spiel kann auch sichergestellt werden, daß das in den Pellets frei gesetzte Gas in den Hohlraum 20 eindringen kann.The metal stopper itself, however, is inserted into the cladding tube with considerable lateral play, which allows the metal stopper to expand thermally. This play can also ensure that the gas released in the pellets can penetrate into the cavity 20 .

Der in Fig. 5 gezeigte Querschnitt durch den Bereich B des Brennstabs läßt das seitliche Spiel (Spalt 16) zwischen dem Auflageteil 11 eines Metallstopfens und dem Hüllrohr 1 deutlicher erkennen. Ähnlich wie der Stopfen 7 kann auch der Metallstopfen 8 an die unterste Windung 14 der Druckfeder 9 befestigt sein; er kann aber z. B. auch punktförmig angeschweißt sein.The cross section shown in FIG. 5 through the area B of the fuel rod clearly shows the lateral play (gap 16 ) between the support part 11 of a metal plug and the cladding tube 1 . Similar to the plug 7 , the metal plug 8 can also be fastened to the lowermost turn 14 of the compression spring 9 ; but he can e.g. B. also be spot welded.

Mehrere derartige Brennstäbe können, zusammen mit anderen Bauteilen (z. B. Führungsrohren für Absorberstäbe und Abstandhalter) zu einem Brennelement eines Druckwasser- Reaktors gebündelt werden. Sie können aber auch in Brennelementen von Siedewasser-Reaktoren eingesetzt werden.Several such fuel rods can, together with others Components (e.g. guide tubes for absorber rods and Spacers) to a fuel element of a pressurized water Reactor are bundled. But you can also in Fuel elements from boiling water reactors used will.

Claims

1. Brennstab eines Kernreaktor-Brennelementes mit

a) einer übereinander angeordnete Brennstoff-Pellets (2, 3, 4) aus angereichertem Uranoxid und/oder Plutoniumoxid enthaltenden Tablettensäule,
b) einem von einer Endkappe (10) am oberen Ende gasdicht verschlossenen, die Tablettensäule seitlich umgebenden Hüllrohr (1) mit einer Druckfeder (9) zwischen der Endkappe und der Tablettensäule, und
c) einer das untere Ende des Hüllrohres (1) gasdicht abschließenden Bodenkappe (5) mit einem in axialer Richtung in das Hüllrohr hineinragenden Stützkörper (6),
dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Brennstofftablette (3) direkt auf einem unmittel bar am Stützkörper (6) anliegenden Metallstopfen (7) auf liegt und die axiale Länge des Metallstopfens so gewählt ist, daß beim Einsatz des Brennstabs im Kernreaktor durch Ableitung der im untersten Brennstoff-Pellet (3) erzeugten Wärme die Temperatur im Stützkörper und im unteren Ende des Hüllrohres unter einem vorgegebenen Wert gehalten wird.

1. Fuel rod of a nuclear reactor fuel element with

a) a stack of fuel pellets ( 2 , 3 , 4 ) made of enriched uranium oxide and / or plutonium-containing tablet column,
b) a cladding tube ( 1 ), which is sealed gas-tight from an end cap ( 10 ) at the upper end and laterally surrounds the tablet column, with a compression spring ( 9 ) between the end cap and the tablet column, and
c) a bottom cap ( 5 ) which seals the lower end of the cladding tube ( 1 ) in a gas-tight manner, with a support body ( 6 ) projecting into the cladding tube in the axial direction,
characterized in that the lowermost fuel tablet ( 3 ) rests directly on a metal plug ( 7 ) lying directly on the support body ( 6 ) and the axial length of the metal plug is selected such that when the fuel rod is used in the nuclear reactor by deriving the fuel in the lowermost fuel -Pellet ( 3 ) generated heat the temperature in the support body and in the lower end of the cladding tube is kept below a predetermined value.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (6) einen Hohlraum (20) zwischen dem Metallstopfen (7) und der Bodenkappe (5) freihält, der mit einem Spalt (15) zwischen der Tablettensäule und dem Hüllrohr verbunden ist.2. Fuel rod according to claim 1, characterized in that the support body ( 6 ) keeps a cavity ( 20 ) between the metal plug ( 7 ) and the bottom cap ( 5 ) free, which is connected to a gap ( 15 ) between the tablet column and the cladding tube .

3. Brennstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstopfen aus Stahl besteht. 3. Fuel rod according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the metal plug Steel.

4. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstopfen auf einer axialen Länge von mindestens etwa 2 mm locker am Hüllrohr an liegt.4. fuel rod according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Metal plugs at least about an axial length 2 mm lies loosely on the cladding tube.

5. Brennstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Metallstopfens kleiner als die Höhe eines Brennstoff- Pellets, insbesondere kleiner als etwa 10 mm, ist.5. fuel rod according to claim 4, characterized characterized in that the axial length of the Metal plug smaller than the height of a fuel Pellets, in particular smaller than about 10 mm.

6. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper und der Metallstopfen fest miteinander verbunden sind.6. fuel rod according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Support body and the metal plug firmly together are connected.

7. Brennstab nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstopfen (7) am der Tablettensäule abgewandten Ende ein verjüngtes Teil (12) aufweist, an dem ein ringförmiger Rand (13) des Stützkörpers seitlich angreift.7. Fuel rod according to claim 6, characterized in that the metal plug ( 7 ) at the end facing away from the tablet column has a tapered part ( 12 ) on which an annular edge ( 13 ) of the support body engages laterally.

8. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper als Rohrstück (6) ausgebildet ist.8. Fuel rod according to one of claims 1 to 7, characterized in that the support body is designed as a tube piece ( 6 ).

9. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oberste Brennstoff-Pellet (4) unmittelbar an einem weiteren Metallstopfen (8) anliegt, an dem die Druckfeder (9) abgestützt ist.9. Fuel rod according to one of claims 1 to 8, characterized in that the uppermost fuel pellet ( 4 ) bears directly on a further metal plug ( 8 ) on which the compression spring ( 9 ) is supported.

10. Brennstab nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Druckfeder (9) und weiterer Stahlstopfen (8) fest miteinander verbunden sind. 10. Fuel rod according to claim 9, characterized in that the compression spring ( 9 ) and further steel plugs ( 8 ) are firmly connected.

11. Wassergekühltes Brennelement eines Kernreaktors mit mehreren Brennstäben nach einem der Ansprüche 1 bis 9.11. Water-cooled fuel element of a nuclear reactor with several fuel rods according to one of claims 1 to 9.